[科普中國]-Z形試驗

簡介

從船舶的實際操縱狀況來看，像回轉(zhuǎn)試驗那樣長時間保持一定舵角的情況是不多的。經(jīng)常的情況是以較小的舵角左左右右不斷地操舵。Z形操縱試驗正是模擬此種操縱，分析其試驗結(jié)果可以得到比回轉(zhuǎn)試驗更符合實際的資料。

小角度Z形操縱試驗與螺線操縱試驗或逆螺線操縱試驗結(jié)合起來，可以提供完整的保持航向的操縱資料。Z形操縱試驗與15°舵角的回轉(zhuǎn)試驗結(jié)合起來可以提供完整的變化航向的資料。近年來隨著船舶大型肥胖化的發(fā)展，船舶的轉(zhuǎn)首性與方向穩(wěn)定性更加受到重視。在這種情況下，Z形操縱試驗顯得更重要了。

目前，Z形操縱試驗是確定K、丁指數(shù)公認的標準方法。2

Z形試驗步驟Z形試驗的目的是求得船舶操縱性指數(shù)和初轉(zhuǎn)期，以評價船舶對操舵的響應特性，其結(jié)果應符合設(shè)計要求。圖1為Z形操縱試驗記錄曲線，其縱坐標為航向角或舵角，橫坐標為時間。

試驗船舶應選擇在有足夠的助航距離和回旋余地的海區(qū)，風力不大于蒲氏4級，海浪不超過2級，潮流平穩(wěn)的條件下進行試驗。試驗可按下述步驟進行：

（1）進行Z形試驗時，首先將船舶保持直線勻速運動2~3min，記錄初始航速、航向角及推進器轉(zhuǎn)速等。

（2）從發(fā)令時（取t=0）開始，以盡可能快的速度將舵轉(zhuǎn)至右舷規(guī)定的舵角，例如右舷10°，并保持之。這時船舶將開始向右舷回轉(zhuǎn)。

（3）當船的艏向角偏離原方向達右舷10°時，立即以盡可能快的速度將舵轉(zhuǎn)至左舷10°，并保持之。

（4）當船舶艏向角也達到原方向左舷10°時，再將舵轉(zhuǎn)至右舷10°。

（5）如此反復進行，當操舵達5次后，可結(jié)束試驗。3

完整的Z形試驗要記錄下從t=0開始隨時間變化的舵角δ、艏向角ψ、相對于原航線的側(cè)向位移y1以及航速、螺旋槳轉(zhuǎn)速等參數(shù)。在進行Z形試驗的過程中應保持主機工作狀態(tài)不變。

除了上述10°/10°(其中分子表示規(guī)定的舵角，分母表示執(zhí)行反操舵時的艏向角)的Z形試驗外，根據(jù)需要還可以進行20°/20°、15°/15°、5°/5°等Z形試驗。它們分別表示較強的機動和較弱的機動下的操縱情況。還可以進行10°/5°、20°/5°，20°/10°等舵角與執(zhí)行反轉(zhuǎn)的艏向角不等的變型Z形試驗。1

直接特征數(shù)多年來一直采用從Z形試驗得到的超越首向角來衡量操縱品質(zhì)。它是這樣來定義的，當舵開始操到反向的那一瞬間，所測得的最大首搖角。一直認為此角越小，操縱品質(zhì)越好。但是應當指出，有大的穩(wěn)定回旋角速度，對反舵響應較快，同小的回轉(zhuǎn)角速度，對反舵響應緩慢，可能給出相同的超越首向角。前者意味著好的機動性，而后者則相反。因而超越首向角并不總是一個恰當?shù)牟倏v性的衡準。

肯普夫（Kempf）也建議用無因次Z形試驗“周期”作為對響應敏感性的衡量，但這不是唯一的關(guān)系。4

Z形試驗的K-T分析船舶運動的數(shù)學分析指出，回轉(zhuǎn)角速度ψ同舵角δ之間的關(guān)系，可以近似地用如下的微分方程來表示：

“時間常數(shù)”T，代表船的慣量對首搖阻尼常數(shù)之比，“增益”K是轉(zhuǎn)舵力矩常數(shù)對首搖阻尼常數(shù)之比。K和T可從水動力導數(shù)確定，而這些導數(shù)可以從約束模型試驗和水動力計算求得。計算時假定船舶運動在線性分析有效的范圍內(nèi)。但在實際機動中，船或多或少總要偏離該范圍，因此系數(shù)K和T的值與線性范圍內(nèi)的值不同。這樣就提出“線性平均”的概念。在所考慮的運動幅值中，取K和T的平均值，且視K和T為常數(shù)，用符號 表示平均的K和T。根據(jù)許多實際結(jié)果來看，這一近似可以很好地解釋Z形試驗中船舶的運動，盡管對于同一條船的不同舵角的試驗，需要不同的 值。所用舵角越大，運動幅度就越大，“平均”的K和T值就越小。4