ледокол с эффективным использованием вертикальной составляющей его массы

Формула изобретения

Ледокол с эффективным использованием вертикальной составляющей его массы, содержащий настройку, главную палубу, корпус, днищевую часть с установленным в диаметральной продольной плоскости с наружной стороны плоским резцом, фиксированные места размещения балласта в носовой и кормовой частях ледокола, оборудование изменения продольной координаты центра масс ледокола, отличающийся тем, что в днищевой части от носовой оконечности до длины корпуса порядка 0,3 - 0,5 резец выполнен в виде последовательно установленных n катков, представляющих из себя монолитное тело вращения, геометрически состоящее из двух одинаковых конусов с высотами h, соединенных основаниями радиуса r, кромка общей плоскости оснований которых совпадает с вертикальной продольной диаметральной плоскостью корпуса, каждый из которых выступает за обводы корпуса примерно наполовину своего осевого горизонтального сечения, в вершинах они оснащены подшипниковыми узлами, посредством которых они крепятся в аркадно-распорном силовом каркасе, являющемся также герметичным отсеком катка, причем по мере удаления от носовой оконечности неравенство r>h переходит в r<h, а оборудование для изменения продольной координаты центра масс ледокола состоит из жестко скрепленной с главной палубой аппарели, имеющей уклон от кормы к носовой оконечности, оснащенной направляющими удерживающими железнодорожными путями, кормовым и носовым приводами с установленной на ней тележкой, оборудованной контейнером с балластом, тормозным амортизатором и установленным в носовой оконечности стопором, причем тележка с балластом может быть зафиксирована на аппарели в любом месте от кормы до носовой оконечности, а надстройка выполнена в виде портала со свободным пространством над аппарелью.

Описание изобретения к патенту

Использование - судостроение.

Известна "Дифферентная система ледокола" /см. описание к авт. свид. СССР N 471241 по кл. B 63 B 35/10/, содержащая размещенные в носовой и кормовой частях корпуса дифферентные цистерны с кингстонами забортной воды, трубопроводами и регулирующим оборудованием для ускоренного приема и удаления балласта.

Недостатками этого технического решения являются: небольшие достигаемые углы дифферента, большое время цикла изменения дифферента до десятков минут, сложность оборудования, большие энергетические затраты при работе дифферентной системы.

Известна также "Толкаемая ледокольная приставка" /см. описание к авт. свид. СССР N 310837 по кл. B 63 B 35/08/, представляющая из себя понтон в виде салазок, надвигаемый букcиром на ледяное поле по траектории движения, внутренний объем которого разделен водонепроницаемыми переборками на увеличивающиеся по объемам емкости /отсеки/ для приема балласта, а днищевая часть понтона в диаметральной плоскости снабжена продольным резцом в виде вертикальной полосы.

Недостатком устройства является низкая эффективность работы, плохая управляемость изменением размещения массы балласта, низкая разрушающая способность резца из-за недостаточной погонной нагрузки на него, недостаточная механическая прочность его и небольшая глубина прорезаемого паза.

Нижеописанное техническое решение предназначено для повышения ледопроходимости ледокола, что достигается решением следующих частных задач:

- быстрое /единицы секунд/ изменение продольной координаты центра масс ледокола в любой комбинации в диапазоне: максимальный дифферент на корму - 0^o - максимальный дифферент на нос,

- рационально использовать вертикальную составляющую массы ледокола для разрушения ледяного поля,

- ослабить лед предварительным разрушением концентрированным приложением вертикальной силы на ограниченную площадь при взаимодействии корпуса ледокола с ледяным полем,

- добиться снижения величины силы контактного трения между корпусом ледокола и ледяным полем.

Поставленные задачи достигаются тем, что, в днищевой части от носовой оконечности до длины корпуса порядка 0,3-0,5 резец выполнен в виде последовательно установленных n катков, представляющих из себя монолитное тело вращения, геометрически состоящее из двух одинаковых конусов с высотами h, соединенных основаниями радиуса r, кромка общей плоскости оснований которых совпадает с вертикальной продольной диаметральной плоскостью корпуса, каждый из которых выступает за обводы корпуса примерно на половину своего осевого горизонтального сечения, в вершинах они оснащены подшипниковыми узлами, посредством которых они крепятся в аркадно-распорном силовом каркасе, являющимся также герметичным отсеком катка, причем по мере удаления от носовой оконечности неравенство r > h переходит в r < h, а оборудование для измерения продольной координаты центра масс ледокола состоит из жестко скрепленной с главной палубой аппарели, имеющей уклон от кормы к носовой оконечности, оснащенной направляющими удерживающими железнодорожными путями, кормовым и носовым приводами с установленной на ней тележкой, оборудованной контейнером с балластом, тормозным амортизатором и установленным в носовой оконечности стопором, причем тележка с балластом может быть зафиксирована на аппарели в любом месте от кормы до носовой оконечности, а надстройка выполнена в виде портала со свободным пространством над аппарелью.

На представленных чертежах изображено: на фиг. 1 схематично показан вид сбоку "ледокола с эффективным использованием вертикальной составляющей его массы", на фиг. 2 схематично показан вид сверху того же ледокола с горизонтальным разрезом по "А-А", на фиг.3. схематично показан тот же ледокол с разрезом по "К-К", на фиг. 4 показана конструкция ходовой части одного поперечного ряда колес тележки и ее установка в железнодорожном пути аппарели, на фиг. 5 показана днищевая часть ледокола, вид снизу по "Б-Б", на фиг. 6 показана конструкция отсека катка и аркадно-распорного силового каркаса с подшипниковыми узлами, разрезы по вертикальной поперечной плоскости "В-В", "Г-Г", "Д-Д", "Е-Е", "И-И".

В тексте приняты следующие условные обозначения и понятия:

изменение продольной координаты центра масс ледокола - это смещение центра масс судна в продольной диаметральной плоскости в сторону носовой оконечности или кормы на величину, которая создает момент силы относительно точки нейтрального расположения центра масс, соответствующей горизонтальному килю судна,

n - количество катков,

h - геометрическая высота катка,

r - радиус основания катка,

>, < - знак математического неравенства,

- угол наклона в градусах аппарели к главной палубе при горизонтальном киле корпуса судна,

ЦМ - центр масс ледокола.

Устройство. Ледокол с эффективным использованием вертикальной составляющей его массы имеет: /см. фиг. 1/ надстройку 1, главную палубу 2, корпус 3, днищевую часть 4 /см. фиг. 5./, последовательно установленные n катков 5, выступающие за обводы корпуса 3 примерно на половину своего осевого горизонтального сечения, которые посредством подшипниковых узлов 6 крепятся в аркадно-распорном силовом каркасе 7 /см. фиг. 6/, который представляют из себя размещенную в корпусе 3 и соединеную с ним жесткую балочно-сварную конструкцию, предназначенную для восприятия поперечного вертикального осевого давления катка 5, последующее перераспределение, рассосредоточение его и передача на конструкцию корпуса 3. Аркадно-распорный силовой каркас 7 является также герметичным отсеком 8 катка 5 для внутреннего объема корпуса 3.

Каждый каток выполнен монолитным из твердой стали и геометрически представляют из себя тело вращения, состоящее из двух одинаковых конусов с высотами h, соединенных основаниями радиуса r, общая плоскость оснований образует кромку 9 и совпадает с вертикальной продольной диаметральной плоскостью корпуса 3, своими вершинами каток 5 крепится в аркадно-распорном силовом каркасе 7 посредством подшипниковых узлов 6. По мере удаления от носовой оконечности и приближении примерно к половине длины корпуса 3 геометрические размеры и соотношения h и r катка 5 меняются. В носовой оконечности r значительно превышает h /см. фиг. 5, 6 "И"/, в удаленной корпусной части h значительно превышает r /см. фиг. 5, 6, "В"/. Таким образом, продольный резец состоит из n последовательно установленных катков 5, имеющих возможностей вращаться.

Главная палуба 2 в центральной части корпуса 3 от носовой оконечности до кормы /см. фиг. 2/ оборудована жестко скрепленной с ней аппарелью 10, имеющей возвышение в кормовой части и составляющей с плоскостью главной палубы уклон . Аппарель 10 по всей своей длине снабжена железнодорожными путями 11, которые выполнены двутаврового поперечного сечения /см. фиг.4/ и являются не только опорой, но и направляющими и удерживающими для нескольких рядов колесных пар 12 тележки 13, на которые распределяется нагрузка от контейнера 14 с размещенным в нем балластом 15. Тележка 13 оборудована амортизатором 16 и колесным упором 17, которые выполнены в виде водила и находятся впереди в железнодорожных путях 11, которые оканчиваются в носовой оконечности стопором, выполненным из криволинейных направляющих 18, скрепленных рамой между собой и с носовой оконечностью корпуса, которые в вертикальной плоскости повернуты на угол порядка 180^o.

Тележка 13 посредством передачи соединена с кормовым 19 и носовым приводами, состоящими из эл. двигателя, редуктора, обгонных муфт, тормоза и барабана с тросом /носовой привод не показан/. Так как аппарель занимает всю центральную продольную часть главной палубы 2, надстройка 1 выполнена в виде портала со свободным пространством над аппарелью /см. фиг.3 "К-К"/.

Ледокол с эффективным использованием вертикальной составляющей его массы работает следующим образом.

Перед выходом на производственную работу выполняется комплектование балластом контейнера 14. В качестве балласта 15 может быть применен как стандартный балласт, например чугунные чушки, так и штатный такелаж ледокола, запасной инвентарь, резервные механизмы, оборудование, тяжелый габаритный груз и т.п. предметы, обладающие большой массой, занимающие большие объемы в корпусе ледокола, не требующие особых условий хранения и редко используемые в работе, например запасной якорь и якорные цепи, бухты буксирных тросов, детали, запасные гребные винты и др. Разумеется, что контейнер 14 имеет внутри соответствующую конструкцию для размещения этих предметов, не допускающую их смещения в любом направлении при любых режимах работы ледокола, а также легкое и удобное извлечение их с помощью судовых подъемных механизмов.

Тележка 13 с балластом 15 может быть установлена по шкале 21 на палубе и маркеру 20 либо в фиксированных местах шкалы с помощью специальных крепежных шкворней с аппарелью при длительной фиксации, либо в любом месте аппарели 10. Эта операция выполняется синхронно кормовым и носовым приводами, например, из положения /см. фиг. 1/ кормовой привод 19 отдает, а носовой привод выбирает приводной трос тележки 13, которая принудительно передвигается по железнодорожным путям 11 аппарели 10 и фиксируется натяжением тросов или дистанционными тормозами.

Основное назначение днищевой части 4, оснащенной катками 5 - выполнять функции сухопутного транспортного средства - перемещаться по твердой среде / льду/. Другое важное назначение катков 5 предварительное ослабление и возможное разрушение твердой среды. Поэтому катки 5, установленные в носовой оконечности корпуса 3, наезжающей на ледяное поле, обладают явно выраженными режущими качествами. Площадь опоры такого катка 5 на сухопутной среде /льду/ минимальна и занимает сегментную часть кромки 9, чем достигается огромная концентрация напряжений на кристаллическую структуру льда, под действием которой происходит разрушение поверхностного слоя льда с образованием глубокой узкой колеи, и ослабление внутренней кристаллической толщи льда из-за появления макро- и микротрещин. Последующие от носовой оконечности катки 5 изменяют свою первоначальную функцию, переходящую в опорную при увеличении h. Под действием силы трения катка 5 о лед он, вращаясь в подшипниковом узле 6 аркадно-распорного силового каркаса 7, передает усилие вертикальной составляющей массы корпуса 3. Кромки 9 всех катков 5 движутся по одной колее.

При переходах на чистой воде или при работе в мелкобитом льду тележку 13 с балластом 15 устанавливают в ЦМ корпуса 3, которую фиксируют к аппарели 10.

Разрушение тяжелых льдов происходит по следующей технологии. Судоводитель на малом ходу на чистой воде дает ледоколу определенный дифферент на корму. Это достигается установкой тележки 13 с балластом 15 в определенном месте аппарели 10. При этом носовая оконечность корпуса 3 поднимается, угол дифферента должен быть меньше величины строительного угла , т.е. угол сохраняет уклон аппарели 10 в сторону носовой оконечности. С этим дифферентом корпус 3 наезжает днищевой частью 4 на ледяное поле. В этот момент судоводитель снимает со стоянки тележку 13, которая срывается с места под уклон самоходом, с ускорением движется по железнодорожным путям 11 аппарели 10 к носовой оконечности, где колесный упор 17 тележки 13 переходит в криволинейные направляющие 18, носовой привод, который выбирал трос, отключается, тележка 13 затормаживается и останавливается /см. фиг. 1, пунктир 14, 15/, ее поступательная кинетическая энергия гасится амортизатором 16. Таким образом, многотонная суммарная масса тележки 13, контейнера 14 и балласта 15 за секунды переместилась в носовую оконечность корпуса 3 и сложилась с вывешенной массой ледокола при более значительном его наезде на лед.

В итоге, ледяное поле подвергается более значительным вертикальным нагрузкам, но немаловажное значение имеет динамический характер их приложения, эквивалентный ударной нагрузке, как от наезда ледокола, так и от быстрого перемещения подвижной массы. Лед не выдерживает и ломается.

Сразу же после остановки тележки 13 синхронно включается кормовой привод 19 и тележка 13 за несколько секунд устанавливается в исходное положение, в носовом приводе в это время работала обгонная муфта, которая отдавала трос. ЦМ корпуса 3 смещается к корме, ледокол получает дифферент на корму, носовая оконечность поднимается, ледокол, не потерявший ход от предыдущего наезда, снова наезжает на ледяное поле, судоводитель снова снимает со стоянки тележку 13 и цикл повторяется. Ледокол разрушает лед непрерывным ходом.

Работа ледокола в особо тяжелых льдах. В этом случае судоводителю необходимо осуществить максимальный наезд на ледяное поле, чтобы добиться вывешивания на льду возможно большей части корпуса 3. Для этого исходный дифферент на корму устанавливается максимально возможный, тележка 13 установлена в предельном положении на корме, ледоколу дается полный ход вперед и днищевая часть 4 при значительном участии катков 5 наезжает на ледяное поле. Возможно, что угол может не обеспечить самоход тележки 13 к носовой оконечности, тогда включают носовой привод и тележку 13 перемещают принудительно, что на несколько секунд может увеличить время приложения разрушающей нагрузки на лед под корпусом ледокола.

Ситуация при заклинивании ледокола при наезде. В этом случае судоводитель несколько раз повторяет прием передвижения тележки 13 от кормы к носовой оконечности в надежде, что лед все-таки не выдержит циклической динамической нагрузки и разрушится, а если попытки безрезультатны, то тележка 13 устанавливается в крайнем положении кормовой части аппарели 10, носовая оконечность корпуса 3 разгружается, главным судовым механизмам дают тягу назад и стаскивают ледокол в воду, при этом катки 5 в днищевой части 4 облегчают эту задачу.

Современные ледоколы, прежде всего сохраняющие традиционные мореходные качества, разрушают лед форштевнем, носовой оконечностью и бортами, в основном применяя лобовой силовой напор всей своей кинетической энергией, внедряясь горизонтально в ледяное поле, подвергают лед в большей части очень невыгодной для его разрушения деформации продольного сжатия. В ледоколостроении давно прослеживается тенденция увеличения водоизмещения судов и мощности силовой установки. Такое направление развития ледоколостроения не является рациональным.

Описанное техническое решение провозглашает новую концепцию ледоразрушения. В ней ледокол рассматривается прежде всего как ледоразрушающая машина, а затем уже как плавучее средство. Лед рассматривается как прочная сухопутная среда, способная воспринимать большую вертикальную нагрузку, наиболее выгодным передвижением по которой является колесо. Наивыгоднейшей разрушающей деформацией для консольно закрепленной плиты /льда/ является вертикальное динамичное приложение силы. Исходя из этой концепции: традиционные мореходные качества, конструкция корпуса, архитектура ледокола, принципы плавания в тяжелых льдах - ставятся в зависимости от основного функционального назначения устройства - разрушать лед.

Техническое решение позволяет достигнуть:

- увеличить по длине наезд корпуса ледокола на лед,

- максимально возможное вывешивание корпуса ледокола на льду и перенесение опоры ледокола из воды на лед,

- быстрое перемещение дополнительной подвижной массы /тележки/ из кормовой части на лед через вывешенную носовую часть корпуса,

- действие вывешенной массы корпуса, практически, вертикально, что исключает разложение сил и позволяет сосредоточить все усилие на разрушение льда,

- быстрое нарастание вертикальной нагрузки на лед, что характерно для удара,

- уменьшить контактное трение соприкосновения корпуса ледокола со льдом,

- разрушить предварительно верхний слой ледяного поля днищевыми режущими катками,

- вытеснение в возникающее свободное пространство между льдом и вывешенным корпусом ледокола подледной воды, которая является опорой льда. Лед, лишенный надежной опоры несжимаемой среды - воды, прогибается от вертикальной нагрузки и ломается.

Таким образом, техническое решение позволяет повысить, в итоге, производительность работы ледокола в тяжелых льдах.