船舶操纵性基础(6学时).ppt

第2章 船舶操纵性基础,2-1 船舶操纵性概述2-2 航向稳定性与保向性2-3 船舶变向性能2-4 船舶变速性能2-5 船舶操纵性试验2-6 船型参数对操纵性的影响,2-1 船舶操纵性概述,船舶操纵性能（maneuverability）是指船舶对驾引人员实施操纵的响应能力总称。一、操纵性指标及其判别1、船舶操纵性能（IMO 操纵性标准）固有稳定性（Inherent dynamic stability）保向性（Course-keeping ability）初始回转性/改向性（Initial turning/course-changing ability）首摇抑制性（Yaw checking ability）旋回性（Turning ability）停船性（Stopping ability）,2-1 船舶操纵性概述,船舶操纵性可以分为：常规操纵性，包括小舵角的保向性、中等舵角的初始回转性以及减速或增速操纵性。应急操纵性，包括大舵角（一般为满舵）的旋回性和全速倒车的停船性。2、航行环境影响下的操纵性风中操纵性流的影响受限水域操纵性浅水操纵性岸壁效应,3、船舶操纵性的判别,实船试验旋回试验Z 形操纵试验螺旋试验或逆螺旋试验回舵试验停船试验等等。“直接判据”试验结果，通常有旋回试验的进距（纵距）、横距、旋回初径、定常旋回直径等。“间接（或分析）判据”操纵性指数K、T 等。,缺乏操纵性资料、操纵引起的误差是产生碰撞的主要原因之一。为使船舶操纵性有关信息的内容和格式达成一致，1987年11月，IMO大会通过了A601（15）决议，要求船舶配备：引航卡；驾驶台操纵性图；船舶操纵手册。,二、船舶必备操纵性资料,1、引航卡（Pilot Card）船长与引航员之间关于船舶操纵性能进行信息沟通的资料卡。船舶每次到港由船长填写引航卡。内容包括：本船的主尺度操纵装置性能船在不同载况时主机不同转速下的航速船舶特殊操纵装置（侧推器），等等。,二、船舶必备操纵性资料,2、驾驶台操纵性图（Wheelhouse Poster）驾驶台操纵性图是一种详细描述船舶旋回性能和停船性能的图表资料。张贴于：驾驶台显著位置。内容包括：深水和浅水（h/d1.2），满载和压载情况下船舶的旋回圈轨迹图及制动性能（停船试验）资料。,二、船舶必备操纵性资料,3、船舶操纵手册（Maneuvering Booklet）详细描述船舶实船操纵性试验结果的手册；它是重要的船舶资料之一；内容包括：旋回试验、Z形操纵试验和停船试验的试验条件、试验记录以及试验分析等；操纵手册包括全部驾驶台操纵性图上的全部信息。除实船试验结果外，操纵手册中的其他操纵信息是通过理论计算获得的。,二、船舶必备操纵性资料,三、船舶操纵性指数,动坐标系船舶运动方程,三、船舶操纵性指数,1、一阶（近似）船舶操纵运动方程假设一物体的转动惯性矩I为，当它以角速度r回转时，所遭受的粘性阻尼为N r，N是阻尼系数。此外，当其尾部转过一角度后，会产生一个作用在物体上的力矩M，M表示单位角度产生的力矩，则该物体的运动方程（野本方程）为：,三、船舶操纵性指数,船舶的旋回性指数K（turning ability index），单位为1/s；,K表示旋回性优劣，K越大，旋回性越好。船舶的追随性指数T（turning lag index），单位为s；,T表示追随性优劣，T越小，追随性越好，应舵较快；T如果为负值，船舶航向不稳定。,三、船舶操纵性指数,2、无因次化操纵性指数K、T 指数被广泛用来评价船舶的操纵性能K 参数的单位为1/s,T参数的单位为s。用无因次值K、T来表示式中：V 船速（m/s）；L 船长（m）。无因次化操纵性指数便于不同船型操纵性比较,3影响T、K指数的因素*,T、K 值将随舵角、吃水、吃水差、水深吃水比、船体水下线型等因素的变化而变化，且规律较为复杂，但总体来讲，具有如下趋势：,可见，T、K 值是同时减小或同时增大的，即：提高船舶旋回性，将使追随性受到某种程度的降低；追随性的改善又将导致船舶旋回性的某些降低。注意：当增加时，T、K 值同时减小，但T 值减小的幅度要比K 大，因此船舶的舵效反而变好。,4、区分船舶操纵性,T小、K大：追随性和旋回性都好的船舶。操舵后，船舶应舵快，转头角速度增加快，定常旋回角速度大，旋回圈小。如拖轮、渔船及定线的集装箱班轮。T小、K小：追随性好而旋回性差的船舶。操舵后，船舶虽然应舵较快，但定常旋回角速度小，旋回圈大。如浅吃水和空载状态的船舶属于此种类型。,4、区分船舶操纵性,T大、K大：追随性差而旋回性好的船舶。操舵后，船舶应舵慢，但定常旋回角速度大，旋回圈较小。满载的大型油轮具有此特点。T大、K小：追随性和旋回性都差的船舶。操舵后，船舶应舵慢，转头角速度增加缓慢，定常旋回角速度也小，因此旋回圈也大。舵面积较小的船舶、瘦削型船舶均属于这种类型。,5、操纵性指数的应用*,（1）定常旋回直径D的估算根据定常旋回运动中旋回角速度r0K的结论，可以得到船舶定常旋回直径的估算式：式中：V 船速（m/s）；舵角（弧度radian，缩写 rad）。,5、操纵性指数的应用*,（2）推定新航向距离DNC在操舵转向之前，准确地推定操舵点至转向点的距离。式中：所操舵角（）；t1 操舵时间（s）；C转向角。,5、操纵性指数的应用*,（3）改向中转头惯性角的估计当船舶在未转至新航向之前，准确掌握回舵，即发出正舵口令的时机，这是如何估算转头惯性角的问题。对于具有航向稳定性的船舶，当具有初始转头角速度r0并操正舵时，则：从操正舵至稳定于新航向，船舶转头惯性角：转头惯性角 是衡量转头惯性强弱的重要指标。,例题,某船满载时船型尺度为LBd=150m20.5m9.23m，船速V=18kn，舵角转至10历时3s，10舵角时的T=1.55，K=1.25。试求：1操10舵角旋回时的滞距Re、旋回直径D和进距Ad；2操10舵角改向60时的新航向距离DNC。,例题,解：1、滞距Re：所以：,例题,解：2、旋回直径D：所以：,例题,解：3、进距Ad：4、新航向距离DNC：所以：,2-2 航向稳定性与保向性,一、航向稳定性的概念1、船舶运动稳定性1）稳定性定义：定义：指物体在受外界干扰，使其偏离原定常运动状态，当干扰消失后，物体是否具有回复到原定常运动状态的能力。判别：不能回复，不具有稳定性能回复，具有稳定性恢复较快，稳定性好,2）航向稳定性,稳定直航船舶受到瞬间干扰后，不用操舵，船舶运动稳定性分类：,2）航向稳定性,稳定直航船舶受到瞬间干扰后，不用操舵，船舶运动稳定性分类：直线运动稳定或动航向稳定：船舶重心轨迹最终回复为一直线，航向发生了变化。方向稳定或静航向稳定：船舶重心轨迹最终回复为与原航线平行的另一直线。位置稳定：船舶重心轨迹最终回复为沿原航线（航迹）的延长线上。,2、航向稳定性的概念,航向稳定性含义船舶在直线航行过程中受到某种干扰而改变了航向，当干扰消失后，不经过操纵就能在新航向上自动恢复直线运动，这样的船舶就具有航向稳定性；反之，则不具有航向稳定性。航向稳定性是船舶的固有稳定性。直线运动稳定或动航向稳定。注意：一般船舶都不可能具有方向稳定性和位置稳定性：要达到方向稳定，需要操舵；要达到位置稳定，需要操舵和定位。,2、航向稳定性的概念,船舶不具有直线运动稳定性的后果：在小舵情况下，可能出现反操现象；保向比较困难；在海上航行时，可能自动舵打不上；操舵者较难以掌握操舵技术；操舵者劳动强度增加，并且要求注意力要高度集中；可能出现失误。,二、航向稳定性的判别,1、直接判别参数-实船试验结果螺旋试验结果：把定常旋回角速度作为舵角的函数，可以得到：,具有航向稳定性的船舶,航向不稳定的船舶,1、直接判别参数-实船试验结果,逆螺旋试验结果航向稳定：与螺旋试验结果相似；航向不稳定：r 曲线出现多值对应的S形曲线。回舵试验结果*存在残存角速度，则不具有航向稳定性。反之，具有航向稳定性。,2、间接判别参数,一阶船舶操纵运动方程船舶初始转头角速度为定值r0，操正舵：则，任意时刻船舶转头角速度为：T 指数是系统的时间常数（sec），其符号决定船舶是否具有航向稳定性，其大小决定船舶航向稳定性的优劣。,2、间接判别参数,T 为正值，船舶具有航向稳定性，T 越小，航向稳定性越好，反之则越差；T 为负值，船舶不具有航向稳定性。因此，操纵性指数T可以作为判断船舶是否具有直线运动稳定性的参数，即：船舶具有直线运动稳定性的充分必要条件是T指数为正值。实际船舶操纵中，船舶转向后操正舵，如果发现船舶长时间不能稳定在新航向上直线航行，则说明该船航向稳定性较差，即T 较大；反之，则航向稳定性较好，即T 较小。,三、船舶保向性概念,船舶保向性是指船舶在外力作用下（如风、流、浪等），由舵工（或自动舵）通过罗经识别船舶首摇情况，通过操舵抑制或纠正首摇并使船舶驶于预定航向上的能力。通过操纵（小舵角）使船舶在短时间内就能恢复原航向的直线运动，则保向性好；反之，保向性差。方向稳定性和位置稳定性都属于保向性范畴。,四、航向稳定性与保向性的关系,航向稳定性是船舶固有的运动性能，与操船者的操纵无关。保向性是船舶受控状态下的运动性能，与船舶运动状态和操船者的操纵有关。航向稳定性好的船舶其保向性也相应较好；反之，则保向性较差。不具有航向稳定性的船舶，通过频繁操舵或大舵角也可能使船舶保持直线运动，但其保向性较差。,五、影响航向稳定性的因素*,船型方形系数、长宽比、水下侧面积、干舷及上层建筑、舵面积载况（吃水、船舶纵倾与横倾）六、影响船舶保向性的因素*航向稳定性较高的干舷将降低船舶在风中航行时的保向性操舵人员的技能及熟练程度自动舵、舵机、舵的性能外界环境条件（水深、风、浪、流等）,2-3 船舶变向性能,一、变向性能概述变向性和保向性都属于航向控制性能，但保向性是指保持航向的能力，而变向性是指航向的改变能力，包括：旋回性（Turning ability）初始回转性（Initial turning ability）首摇抑制性（Yaw checking ability）,一、变向性能概述,1、旋回性（Turning ability）船舶匀速直航时，转舵使船舶作圆弧运动的性能，又称为船舶回转性。船舶旋回性是衡量船舶回转运动所占水域范围大小的性能指标。船舶旋回性最能代表船舶的变向性能，历史上对旋回性的研究也是最多的。船舶重心所描绘的轨迹俗称“旋回圈”。通过对旋回圈的分析，可以获得多种船舶变向操纵性能指标。,一、变向性能概述,2、初始回转性（Initial turning ability）初始回转性也称为改向性，指船舶对中等舵角的反应能力，是衡量直航船舶改变航向能力的性能指标。衡量：操中等舵角时船舶航行单位距离内航向角变化大小，或在给定航向角变化量时船舶所航行的距离长短。旋回性与初始回转性既有区别又有联系：两者初始运动过程是一样；所用舵角不同；旋回性评价船舶运动所占用的最小水域，而初始回转性是评价船舶改变航向的效率。,一、变向性能概述,3、首摇抑制性（Yaw checking ability）首摇抑制性能是指船舶进入旋回状态，角速度达到一定时向旋回相反方向操舵，船首向对舵的反应能力的性能，即指操反舵后船首向对舵的响应迅速程度的性能。可见，首摇抑制性能是一个时间的概念。初始回转性和首摇抑制性都是船舶转动惯性的一种度量，但初始回转性是度量直航中的船舶开始转动的惯性，而首摇抑制性是度量转动中的船舶停止转动的惯性。,二、船舶旋回运动过程,船舶以一定航速直进当中，操某一舵角并保持之，船舶将进入旋回过程。根据船舶在旋回运动过程中所受外力特点之变化，以及运动状态之不同，可将船舶旋回过程划分为三个阶段：转舵阶段过渡阶段定常阶段,船舶旋回运动过程,1、转舵阶段（横移内倾阶段）,转舵阶段:从转舵开始到舵转至规定值C为止，时间很短（约15s）受力情况：由舵角引起横向力和力矩，使船产生横向加速度和回转角加速度。运动特点：由于船体本身的惯性很大，还来不及产生明显的横向速度和回转角速度；船舶重心G向操舵相反一舷的小量横移；船舶横向向操舵一舷倾斜（内倾）。,2、过渡阶段,过渡阶段：从舵角达到规定值C时到船舶进入定常回转运动之前的动态过程。受力情况：随船舶横移、漂角增大，作用于船体的流体力和力矩增大。运动特点：斜航运动；旋回加速；纵向速度下降；内倾渐渐向外倾变化。,3、定常旋回阶段,定常阶段（steady turning）:受力与运动处于稳定状态受力情况：作用于船体的力和力矩将最后达到平衡。运动特点：船舶以一定的横向速度和回转速度绕固定点作定常回转运动。船舶的横向运动为外倾。,运动变量历时曲线,三、旋回圈及旋回圈要素,1、旋回圈：定速直航（一般为全速）时，操一定的舵角（一般为满舵）后，其重心G的运动轨迹叫做旋回圈(turning circle)。,2、旋回圈要素,旋回圈要素：表征旋回圈大小的几何要素。包括：反移量、进距、横距、旋回初径、旋回直径、滞距等。,（1）反移量（Kick）,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最大距离。,（1）反移量（Kick）,大小：通常，反移量值较小，其最大量在满载旋回时仅为船长的1%左右。操船中应注意：船尾的反移量却不容忽视，其最大量约为船长的1/101/5，约出现在操舵后船舶的转头角达一个罗经点左右的时刻。影响因素：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）进距（Advance）,也称纵距，是指从转舵开始时刻船舶重心点所在的位置，至船首转向90时船舶纵中剖面的距离。一般船舶，Ad约为34L（应4.5L），约为旋回初径DT的0.61.2倍。Ad表示船对操舵反应快慢，即应舵速度。,（3）横距（Transfer）,横距为船舶从操舵开始至转首90时，重心距原航线的距离，以Tr表示。Tr 大约为旋回初径DT的一半。Tr值越小，则回转性就越好。,（4）旋回初径（Tactical diameter）,从船舶原来航线至船首转向180时，船纵中剖面所在位置之间的距离。DT一般约为36L，回转性较差船舶可达78L。DT值越小，则回转性越好。,（4）旋回初径,在航海实践中，旋回圈的大小常常用其旋回初径DT表示。采用其旋回初径与其船长L（一般为两柱间长）的比值DTL来表示，称为相对旋回初径。,（5）旋回直径（Final diameter）,旋回直径是指船舶作定常旋回时重心轨迹圆的直径，亦称旋回终径或定常旋回直径。D0大约为旋回初径DT的0.91.2倍。旋回直径是判断船舶定常旋回过程中占用水域范围的依据。,（6）滞距（Reach）,亦称心距。指从发令位置起，船舶重心至定常旋回曲率中心的纵向距离。Re大约为12L。Re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。,3、旋回要素应用,旋回初径：用来估算船舶用舵旋回掉头所需的水域。横距：用来估算转首后，船舶与岸或其它船舶是否有足够的间距。滞距：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。进距：两船的进距之和可用来推算两船对遇时的最晚施舵点。,3、旋回要素应用,反移量（Kick）：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。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。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。,四、船舶旋回运动要素,船舶旋回运动要素，是表征船舶旋回运动状态的运动要素：漂角；转心；旋回中的降速；旋回中的横倾等。船舶旋回运动要素与船舶的旋回性能有着密切的关系。,1、漂角（Drift angle）,一般船舶，重心处漂角大约在3-15之间；超大型船舶，最大可达到25左右。漂角越大的船舶，其旋回性越好，旋回直径也越小。,2、转心（pivot point）,位置：大约在首柱后1/31/5 L处，也可能位于船首前某一点。旋回性能越好、旋回中漂角越大的船舶，旋回时转心越靠近船首。,3、旋回中的降速,降速原因：舵阻力增加；船体的斜航阻力增加；主机特性，推进效率降低。降速幅度：与DT有密切的关系，DT/L值越小，旋回性越好，降速越显著。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%；旋回性能很好的超大型油轮，最大可达到原航速的65%。,4、横倾（list）,横倾变化船舶操舵不久，将因舵力横倾力矩而出现少量内倾；接着由于船舶旋回惯性离心力矩的作用，内倾将变为外倾；因横向摇摆惯性的存在，将产生最大的外倾角max，最大外倾角一般为定常外倾角的1.21.5倍，max 的大小与操舵时间有关，操舵时间越短，max 越大；达到最大外倾角后，船舶经过12次摇摆，最后稳定于某一定常外倾角上。,4、横倾（list）,4、横倾（list）,影响因素：船舶旋回横倾大小与船速、所操的舵角、船舶的旋回性能和船舶的初稳性高度GM等有关。注意事项：操船过程中应特别注意回转突倾，避免用急舵特别是急回舵。1999年10月17日盛鲁轮在避让渔船时因操舵造成横倾过大，引起汽车碰撞起火，最后沉没。,5、旋回时间,旋回时间是指船舶旋回360所需的时间。它与船舶的排水量有密切关系：排水量大，旋回时间增加。万吨级船舶快速满舵旋回一周约需6min，而超大型船舶的旋回时间则几乎要增加一倍。,五、变向性的间接判断,1、旋回性的间接判别直航船舶操满舵后，不考虑操舵所用时间（阶跃操舵），并设初始条件t0，r0，求解一阶船舶操纵运动方程，则旋回运动过程中瞬时角速度表示为：当T 0时，随时间t，e-t/T 0，r K；而且，T 值越小，达到定常角速度的时间越短。当T 0时，随时间t，e-t/T，r，即最终不能达到定常回转，旋回运动不具稳定性。对于K值，当T 0时，随时间t，r=K；即，船舶最终以定常角速度进行旋回运动。,1、旋回性的间接判别,T 指数是系统的时间常数（s）：符号（）：决定了运动的稳定性；大小：决定了船舶达到定常旋回角速度的时间，该时间越短，说明船舶对操舵的反应能力越好，即船首向追随舵角的能力越好；故称T 指数为“追随性指数”。K 指数是系统的旋回角速度（1/s）：大小：决定了船舶所能达到的定常旋回角速度的大小，表示船舶受单位持续舵角作用下产生的最终旋回角速度。该角度值越大，说明船舶进行旋回运动的效率越高。故称K 指数为“旋回性指数”。,1、旋回性的间接判别,K、T 大小的四种组合区分船舶操纵性,船舶操纵性类型,1、旋回性的间接判别,K、T 大小的四种组合区分船舶操纵性,2、改向性的间接判断,改向性可用旋回滞后距离和新航向距离进行判断。新航向距离DNC式中：所操舵角（）；t1 操舵时间（s）；C转向角。,2、改向性的间接判断,可知：DNC越小，改向性越好；反之，则越差。在航向角变化量、舵角、船速和操舵时间一定的情况下，DNC与操纵性指数有关：T 值越小，DNC越小；K 值越大，DNC越小。当T值小K值大时，改向性好；T值大K值小时，改向性差。,六、影响旋回性的因素,船型因素：Cb，L/B，舵面积，推进器类型，船体水线下侧面形状；操纵因素：载态、纵倾和横倾、舵角、操舵时间、船速、船舶的螺旋桨转速等。外界因素：受水深、风、流的影响，旋回圈的大小也有很大变化。,2-4 船舶变速运动性能,主要内容船舶变速性能及其判别各种变速操纵性能加速性能减速性能停船性能倒航性能,一、船舶变速性能及其判别,变速性能是指船舶对变速操纵的反应能力，是度量船舶运动（平动）惯性的技术指标。质量越大，惯性越大。船舶质量较大，船舶减速过程中，在惯性力的作用下，需要一定时间和距离，才能达到所要求的运动状态，称为惯性时间和惯性距离。阻力和推力都随船速的改变而变化，故计算比较复杂。一般采用估算公式或实船试验结果来判断变速性能。,二、各种变速操纵性能,1、加速性能为了保护主机，由静止状态开进车时，转速应视船速的逐步提高而逐步增加，用车时先开低转速，在船速达到与转速相应的船速时再逐级加大转速。从静止状态逐级动车，直至达到定常速度V所航行的距离与排水量成正比、航速V的平方成正比、航速V时的阻力成反比；根据经验，从静止状态逐级动车，直至达到定常速度，满载船舶约需航经20L左右的距离，轻载时约为满载时的1/22/3。,二、各种变速操纵性能,2、减速性能减速性能就是减速操纵后船速递减过程中的运动性能。船舶停车后，船速开始下降较快，随船速降低，阻力减小，船速下降趋缓；以某一速度航行的船舶，从发出主机停止车令起到船舶对水停止移动时止所需的时间和滑行的距离，称为停车冲时和停车冲程。实船试验时，船舶对水停止移动一般以船舶维持舵效最小速度为标准计算，万吨级船取2kn，超大船取3kn左右。,二、各种变速操纵性能,3、停车性能船舶在常速航行中停车，降速到能维持其舵效的速度时所滑行的距离，称为停车冲程。一般货船：820L；超大型船舶：超过20L。船越大，停车惯性越大。某大型集装箱船满载海上全速、港内全速、港内半速和港内慢速时的停车冲程分别约为24、16、14 和9 倍船长。VLCC 满载时分别约为37、32、29 和25 倍船长。,二、各种变速操纵性能,4、停船性能停船性能是指船舶在任意前进速度时使用倒车使船舶停止的性能；实际为两种情况全速前进操全速后退，称为紧急停船性能（crash stopping ability），相应的航行距离称为“最短停船距离”；从港内速度操半速或慢速倒车，属于正常停船操纵。实际操船很少进行全速倒车操纵；标准操纵性试验中常常采用，估计停船性能。,二、各种变速操纵性能,冲程对比（全速倒车冲程）,三、最短停船距离,船舶在前进三中开后退三，从发令开始到船对水停止移动所需的时间及航进的距离，称为倒车冲时和倒车冲程，又称紧急停船距离（crash stopping distance）或最短停船距离（shortest stopping distance）。从前进三到后退三所需时间的长短因主机类型而异：内燃机船约需 90120 秒；汽轮机船约需 120180 秒；蒸汽机船约需 60 90 秒。,三、最短停船距离,1、倒车冲程统计数据：中型至万吨级货船 68L；5万吨左右 810L；10万吨 1013L；1520万吨级 1316L。,三、最短停船距离,2、最短停船距离的估算假设：船体所受阻力的大小与船速的平方成正比；倒车拉力在整个停船操纵过程中是一个常量，等于船舶最终在水中停止时螺旋桨所产生的倒车拉力；螺旋桨开始倒转的时间和倒车命令给出的时间相同，即不考虑主机由正转变为倒转所用的时间。IMO操纵性临时标准中推荐用下式估算直线方向的最短停船距离S：,2、最短停船距离的估算,式中：A船舶质量与船舶阻力之比，其值完全取决于船型和船体水下形状。,2、最短停船距离的估算,式中：B船舶倒车操纵前的船舶阻力与船舶停止时倒车拉力之比，其值取决于主机提供的倒车功率大小。倒车功率越小，B值越大。,2、最短停船距离的估算,式中：C船舶获得倒车拉力的时间与船舶开始倒车时的初始速度的乘积。几乎倒车冲程的一半时才获得全速倒车拉力，且船舶越小，系数C越大；初始船速越高，系数C 越大。,3、影响紧急停船距离的因素,船舶排水量在其他条件相同的情况下，排水量越大，紧急停船距离越大。初始船速若其他因素相同，初始船速越高，紧急停船距离越大。主机倒车功率、转速和换向时间若其他条件相同，主机转速越高、主机倒车功率越大，紧急停船距离越小；主机换向时间越短，紧急停船距离也越小。船体的污底程度船体污底越严重，紧急停船距离越小。外界条件顺风、顺流时大，顶风、顶流时小；浅水域中较深水中小。,四、几种制动方法的比较和运用,倒车制动大舵角旋回制动蛇航制动拖锚制动拖轮制动辅助装置制动,1、倒车制动法,优点：该方法不受水域、船速等条件的限制，即不论在港内或港外水域，也不论船速的高与低，该方法均可适用；在紧急避让中一旦发生碰撞，碰撞的损失也比较小；缺点：历时较长，对于FPP船需要进行主机换向操作；单桨船在倒车过程中总伴有一定的偏航量和偏航角，且倒车时间越长，偏航量越大,2、大舵角旋回制动,优点：操作方便，无需机舱操作，而且降速时间也相对较短，可以降速达25-50；缺点：所需的水域比较宽仍残留部分余速,3、蛇航制动（zig zag stop manoeuvre）,优点：在倒车未开出之前的23min的时间之内已充分地利用斜航阻力使船舶相应减速；主机由进车换为倒车的过程可以分阶段、逐级平稳进行，避免了主机超负荷工作等情况的出现。缺点：在较窄的水域或航道内不宜使用；操纵复杂。,4、拖锚制动,通过拖锚利用拖锚阻力，即拖锚时锚的抓力来刹减船舶余速的方法称为拖锚制动法。该法仅用于万吨级及其以下的船舶；抛锚时船舶对地的速度也仅限于23kn以下。,5、拖轮制动法,通过拖轮协助，或仅靠拖轮提供的推力使船制动的方法叫作拖轮制动法。多用于超大型船舶在港内低速状态时的制动。6、辅助装置制动在船舶上设置一些如阻力鳍等辅助装置而使船舶减速制动的方法称为辅助装置制动。该方法仅在船舶航速较高时使用，才会有明显的效果。,2-5 船舶操纵性试验,一、实船试验条件深水（大于4、5倍吃水）、宽度不受限制、遮蔽条件较好；满载、平吃水；平静的水域：风力不超过蒲氏5 级；海浪不超过4 级；即有义波高不超过1.9m、最大波周期不超过8.8s；流场比较均匀。试验船速最小船速的规定：海上速度的85%，主机最大输出功率的90%。,2-5 船舶操纵性试验,二、观测与记录试验观测手段差分GPS（DGPS）；罗经或姿态测量仪；获得的数据可以进行自动处理。记录内容有关的实验条件、观测数据：船舶数据：首尾吃水，螺旋桨、舵、侧推器的特性及运行情况。环境条件：水深、波浪、海流、能见度及其他气象水文情况。试验数据：时间、位置、航向、船速、舵角及转舵速率、螺旋桨转速、螺距以及风速等，以不超过20s的间隔进行记录。,三、实船试验种类及方法,1、旋回试验（Turning test）目的：求取船舶的旋回要素，评价船舶旋回的迅速程度和所需水域的大小，从而判定船舶的旋回性能。测定旋回轨迹的方法：经纬仪测定航向、航速雷达定位GPS,2、Z形试验（Zig-zag tests）,目的：利用测定的数据，求取船舶的操纵性指数K，T，全面评判船舶的旋回性、追随性和航向稳定性等性能；最早是Kempf提出，又称标准操纵性试验。,3、螺旋试验,包括：（正）螺旋试验（direct spiral test）逆螺旋试验（reverse spiral test）目的：判定船舶航向稳定性的好坏。,（1）螺旋试验（direct spiral test）,试验方法：从右满舵开始逐步减小舵角直至正舵、左舵、左满舵，最后再从左满舵向右满舵一步步过渡，依次求出各舵角所对应的定常角速度。缺点：所需水域大；费时长。,（1）螺旋试验（direct spiral test）,螺旋试验结果：r 与具有单值对应关系，具有航向稳定性；r 与关系构成滞后环，不具有航向稳定性。,具有航向稳定性的船舶,航向不稳定的船舶,（2）逆螺旋试验（reverse spiral test）,试验方法：选定一系列回转角速度，通过操舵使船舶保持各角速度定常回转，然后求取对应于各角速度所需操的舵角平均值。优点：省时，省力；结果比较准确。缺点：需要角速度仪（gyro rate）。,（2）逆螺旋试验（reverse spiral test）,逆螺旋试验结果航向稳定：与螺旋试验结果相似；航向不稳定：r 曲线出现多值对应的S形曲线。,4、停船试验（Stopping test）,目的：评价船舶停止惯性。方法：通常采用抛板法。结果（特征参数）纵向进距（Head reach）横向偏移量（Lateral deviation）航迹进距（Track reach）航向变化量（Heading deviation）,四、船舶操纵性衡准,船舶操纵性试验是对船舶操纵性的一种物理模拟，由试验求得的特征参数可作为评价操纵性优劣的衡准。1993年国际海事组织（IMO）对100m及以上海船的操纵性标准提出了要求，之后，又进行了修订，具体规定如下。旋回性（Turning ability）旋回圈的进距：Ad4.5 L（垂线间长，下同）；相应的旋回初径：DT 5.0 L。初始回转性（Initial turning ability）操左10舵角或右10舵角后，船首向角从原航向改变10时，船舶在原航向上的纵向行进距应不超过2.5 L。,四、船舶操纵性衡准,偏转抑制性能和保向性（Yaw-checking and course-keeping ability）1010 Z形操纵试验测得的第一超越角应不超过：10 当 L/V10s时；20 当 L/V 30s时；(51/2(L/V)当 10s L/V 30s时。1010Z形操纵试验测得的第二超越角应不超过：25 当L/V 10s时；40 当L/V 30s时；(17.50.75()当10s L/V 30s时。2020Z形操纵试验测得的第一超越角应不超过25。,四、船舶操纵性衡准,停船性能（Stopping ability）船舶全速倒车停船试验中的航迹进距（Crash Stopping Distance）不超过15倍船长。但是，对于超大型船舶，主管机关认为该标准不能满足时，可进行修订，但任何情况下不应超过20倍船长。,2-6 船型参数对操纵性的影响,一、影响操纵性的船型参数排水量长宽比(LB)水下侧面形状舵面积与船舶水下侧面积之比方形系数主机功率等,一、影响操纵性的船型参数,1、排水量随着船舶排水量的增大，旋回性变化不大（相对旋回直径变化不大），但航向稳定性会变得越来越差。2、长宽比（L/B）长宽比大的船舶，快速性较好，旋回性较差，航向稳定性较好。,一、影响操纵性的船型参数,3、船体水线下侧面形状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，旋回中的阻尼力矩小，旋回性较好，旋回圈较小，但航向稳定性较差；船尾部分分布面积较大者如船尾有钝材（dead wood），或船首比较削进（cut up）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。,一、影响操纵性的船型参数,4、舵面积比（rudder area ratio）增加舵面积，转船力矩增大，因而旋回性变好。增加舵面积，又增加了旋回阻尼力矩，超过一定值后，旋回性就不能提高。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：拖轮 1/201/25；渔船 1/301/40；高速货船 1/351/40；大型油轮 1/651/75；一般货船 1/451/60。,一、影响操纵性的船型参数,5、方形系数Cb在长宽比一定时，Cb越大，船舶的旋回性越好，旋回圈越小，但航向稳定性越差。6、主机功率单位排水量所分配的主机功率（BHP/）是衡量船舶快速性和停船性能的重要指标。BHP/值越大，船速越高，倒车功率也相应较大，其停船性能也较好。,二、超大型船舶的操纵特点,1、质量大，惯性大单位排水量主机功率远较一般船为低，进行机动操纵异常呆笨；2、浅水效应和岸壁效应较明显船舶线型尺度大，浅水效应和岸壁效应均较突出，特别是船体下沉量明显增大。3、受风、流影响较大由于水线上下面积的加大，受风、流影响较大；4、航向稳定性差，旋回性好5、去舵效的船速较高淌航中丧失舵效的时间出现得较早。,