2.8 Влияние качки судна на гирокомпас. Интеркардинальая девиация

Морские суда в плавании, особенно при дальних рейсах, могут испытывать весьма интенсивное, а нередко и длительное, возмущающее воздействие от качки. При этом силы инерции, порождаемые ускорениями при качке, оказывают существенное влияние на точность показаний ГК. Качество и надежность работы компаса оценивается в первую очередь точностью ею показаний во время качки. Отсюда методы устранения возникающих погрешностей являются отличительной особенностью различных типов ГК.

П ри исследовании качки установлено, что ее физическая сущность проявляется как случайный стационарный процесс, при этом наиболее сильное воздействие па точность показаний ГК оказывает установившаяся (регулярная) бортовая качка. Поэтому рассмотрим только влияние бортовой качки на чувствительный элемент гирокомпаса с пониженным центром тяжести и будем считать, что качка совершается по гармоническому закону.

Гирокомпас установлен на расстоянии от центра качаний судка до центра подвеса чувствительною элемента О (рис. 1). Перемещение (угловое) судна на регулярной качке происходит по гармоническому закону:

Рис. 2.25 Бортовая качка

,

где соответственно амплитуда и круговая частота качки.

Период качки для судов транспортного флота обычно лежит в пределах 3 — 15 сек.

Ускорение имеет вертикальную и горизонтальную составляющие. Для малых углов крена видно, что вертикальна составляющая представляет собой незначительную величину. Основное влияние оказывает горизонтальная составляющая.

, считая, что .

Каким бы курсом не шло судно, главная ось ЧЭ всегда находится в плоскости компасного меридиана N_K (рис. 2.26). Вектор ускорения , расположен в плоскости качаний, перпендикулярной фронту волны. Сила инерции обусловлена ускорением и противоположно направлена.

Рис.2.26 Силы инерции, возникающие при качке:

а)-первый полупериод качки; б)-второй полупериод качки

Вектор и его составляющие и по осям гиросферы, как и соответствующие составляющие силы инерции ( и ), приложены к центру тяжести ЧЭ, и в каждый полупериод качки меняют свое направление на противоположное относительно его осей X-X и Y-Y.

Рассмотрим действие сил инерции на одногироскопный ЧЭ гирокомпаса (рис. 2.27).

Рис. 2.27 Действие сил инерции на гирокомпас при качке:

а)-первый полупериод качки; б)-второй полупериод качки

В данном случае ЧЭ на качке ведет себя относительно оси Х-Х как корот-копериодный физический маятник. Угол меняется достаточно быстро и в больших пределах, достигая своего максимального значения в каждом из полупериодов качки, как показано на рисунке. То есть, пониженный центр тяжести G гиросферы непрерывно испытывает изменение своего положения относительно отвесной линии .

В первом полупериоде качки, рассматривая рисунки 2.26,а и 2.27,а совместно, видно, что сила , действующая вдоль параллели к , создает момент относительно оси Х-Х чувствительною элемента, вызывая его раскачивание вокруг указанной оси (ось Х-Х на рисунке не видна - она перпендикулярна его плоскости). Так как этот момент располагается на главной оси и совпадает с кинетическим моментом , то прецессионного движения не возникает.

Синхронно с силой действует сила по направлению . Эта сила стремится повернуть ЧЭ вокруг наклонной оси Y-Y (вектор расположен за плоскостью (рис. 2.27, а) и перпендикулярен ей), создавая момент , что и вызывает прецессионное движение ЧЭ в течение данного полупериода качки в направлении к .

Во втором полупериоде качки, приведенные выше явления повторяются с той лишь разницей, что силы инерции и создаваемые ими моменты меняют свое направление на прямо противоположное. Так, сила , направленная теперь к , создает момент относительно главной оси, но прецессионного движения при этом не возникает: сила , действует вокруг оси Y-Y (вектор расположен перед плоскостью рис. 2.27,а и перпендикулярен ей) и создаст момент - возникает прецессионное движение ЧЭ к .

Разложим момент на горизонтальную ( ) и вертикальную составляющие. Видно, что горизонтальные составляющие в течение каждою полупериода качки действуют а противоположном направлении. Причем они равны по величине. То есть за полный период качки среднее значение инерционного перемещения ЧЭ под действием момента ( ) равно нулю. Если учесть, что период качки (3 - 15 сек.) весьма мал по сравнению с периодом затухающих колебаний ГК, то можно скачать, что главная ось ГК не успевает практически уходить из меридиана под действием момента ( ).

Составляющая в течение обоих полупериодов качки имеет одинаковые направления. Среднее значение момента за период качки не равно нулю (рис. 2.28,а). Следовательно, момент , будет создавать инерционную прецессию ЧЭ в одном направлении.

Рассмотрим дальнейшее поведение ЧЭ.

Рис.2.28 Возникновение погрешности при качке: а) Изменение момента ; б) прецессионное движение главной оси ЧЭ.

Вектор момента находится на отвесной линии, а вектор кинетического момента на главной оси. Согласно свойству прецессионного движения вектор будет стремиться к вектору , т.е. прецессия совершается вокруг линии W-Е при этом северный конец оси ЧЭ пойдет вниз, как это показано на рис. 2.28,б. Пониженный центр тяжести G выйдет из прежнего положения относительно отвесной линии . Сила тяжести , действуя вокруг оси У-У, создаст момент , под действием которого главная ось (вектор ) получит инерционное перемещение в азимуте, в данном случае к - появляется погрешность вызванная бортовой качкой.

Следует заметить, что постоянно действующий момент при качке может быть направлен как вниз, исходя из приведенного рисунка 2.26, так и вверх - это зависит от курса судна. Тогда, северный конец главной оси ЧЭ будет поднят над горизонтом, а вектор и перемещение оси будут направлены к W.

Напомним, что рассмотренный процесс возникновения погрешности основан на одногироскопной модели гирокомпаса.

Таким образом, появление девиации одногироскопного ГК на качке выглядит как последовательность взаимосвязанных событий:

• ЧЭ гирокомпаса не стабилизирован в плоскости E-W (ось Y-Y);

• ЧЭ раскачивается вокруг оси X-X подобно маятнику силой ;

• возникает постоянно действующий вертикальный момент , который и является причиной возникновении погрешности;

• под действием главная ось ГК получает наклон в вертикальной плоскости и центр тяжести G отходит от отвесной линии;

• сила Р создает момент ;

• в результате, ось получает азимутальное инерционное перемещение, т.е. возникает девиация .

Выполненные в свое время теоретические и экспериментальные исследования показали, что девиация одногироскопного ГК на качке выражается формулой

(2.13)

где - амплитудное значение угла крена судна при качке.

Из формулы следуют основные характерные особенности девиации .

1. Девиация имеет четвертной характер зависимости от курса судна КК:

- на курсах 0°, 90°, 180° и 270° , т.к. ;

- на курсах 45°, 135°, 225° и 315° , т.к. .

По этой причине девиацию гирокомпаса на качке чаше называют интеркардинальной девиацией.

Четвертному характеру погрешности качки можно дать простое объяснение:

- если бортовая качка имеет место на курсах 0° и 180°, то составляющая , значит , и погрешность не возникает;

- если КК =90° или 270°, то и прибор не раскачивается вокруг оси Х-Х, поэтому ось Y-Y остается все время горизонтальной, следовательно и погрешность также не возникает,

- на четвертных курсах и , - возникает девиация .

2. Девиация , пропорциональна , , и увеличивается с увеличением широты плавания .

Расчеты и эксперименты показали, что значения интеркардинальной девиации ГК с одногироскопным ЧЭ, обладающим положительным маятниковым эффектом, очень велики и достигают в реальных условиях 20, 30° и даже более. По этой причине такие гирокомпасы не получили распространения. Снижение влияния качки на точность показаний ГК рассмотрим ниже.