郝紹瑞 曹劍鳴

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.浙江省舟山警備區(qū)船運(yùn)大隊(duì) 舟山316000）

引 言

錨及其存放與操縱系統(tǒng)由錨、錨鏈、錨鏈筒、起錨機(jī)、掣鏈器、導(dǎo)鏈滾輪、棄錨器等組成。作為船舶的保船設(shè)備之一，在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中占據(jù)十分重要的地位。

某型布纜船首部系泊區(qū)域空間比較緊湊，系泊甲板的橫向?qū)挾认鄬?duì)較小，首部線型十分瘦削；干舷小，艏錨的收存位置離水面高度很小（僅約2.7 m）。為避免艏波對(duì)錨沖擊而導(dǎo)致錨受損或脫落，避免增加船舶航行附加阻力，并盡量使外形美觀，這種船型均采用暗式錨穴。這些要求均構(gòu)成船舶錨系設(shè)計(jì)中的制約因素，給錨系設(shè)計(jì)帶來(lái)不小的難度。

本文就某型布纜船錨系設(shè)計(jì)過(guò)程中的幾個(gè)主要部件的設(shè)計(jì)與選型進(jìn)行研究與探討。

1 錨的配置

航行錨設(shè)備通常采用無(wú)桿錨，錨的數(shù)量和質(zhì)量按IACS（國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)）提出、并為各國(guó)船級(jí)社采用的舾裝數(shù)確定［1］。某型布纜船按CCS（中國(guó)船級(jí)社）《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2012）的有關(guān)規(guī)定和要求進(jìn)行錨系設(shè)計(jì)，選用斯貝克錨［2］。斯貝克錨通常用作艏錨，這種錨對(duì)于各種泥、砂底質(zhì)均有較好的適應(yīng)能力，且收藏方便，錨爪最大張角為40°，其最大特點(diǎn)就是錨頭重心略低于轉(zhuǎn)軸（小軸），因此，錨吊起時(shí)，錨爪豎直與錨柄在同一垂直平面內(nèi)；當(dāng)錨爪尖觸及船外板時(shí)，錨爪會(huì)向離開(kāi)外板的一側(cè)傾斜，不致擦傷船外板，能使錨柄順利收入錨鏈筒內(nèi)，錨爪與船外板的貼合性較好［3］。我國(guó)造船行業(yè)已制訂斯貝克錨標(biāo)準(zhǔn)，便于選型。

2 存放與操縱系統(tǒng)

2.1 錨 鏈

普通錨鏈環(huán)分為無(wú)檔鏈環(huán)和有檔鏈環(huán)兩種，在同樣尺度下，有檔鏈環(huán)的強(qiáng)度比無(wú)檔鏈環(huán)約增加20%，且具有較大的剛性，長(zhǎng)期使用也不致有過(guò)大變形，且不易發(fā)生扭結(jié)［3］；因此，船舶的錨鏈通常選用電焊有檔錨鏈。值得注意的是軍船規(guī)范［4］規(guī)定的錨鏈最小總長(zhǎng)度系指中間鏈節(jié)總長(zhǎng)度，錨端鏈節(jié)和末端鏈節(jié)長(zhǎng)度不計(jì)入。一般在進(jìn)行錨鏈設(shè)計(jì)選型時(shí)，都是按照船級(jí)社的要求，根據(jù)計(jì)算得到的舾裝數(shù)對(duì)照表格來(lái)選取相應(yīng)等級(jí)的錨與錨鏈，錨鏈分為AM1、AM2、AM3三個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)相同舾裝數(shù)選用錨鏈的級(jí)別越高，錨鏈的尺寸和質(zhì)量越小。通過(guò)對(duì)錨鏈在錨泊狀態(tài)下受力分析計(jì)算，無(wú)論是拋錨長(zhǎng)度、最大可承受環(huán)境力還是最大拋錨深度，都呈現(xiàn)出了同樣的結(jié)果，即在錨鏈長(zhǎng)度相同時(shí)，鏈徑越大的錨鏈錨泊能力越強(qiáng)［5］。但如果配置鏈徑較大的錨鏈則需要相應(yīng)配置更大的起錨機(jī)，也需要更大的錨鏈艙存儲(chǔ)錨鏈，從而占用更多的船總體資源，且給總體帶來(lái)重量重心方面更多的壓力?？紤]到該布纜船首部空間比較緊張，系泊甲板的橫向?qū)挾纫蚕鄬?duì)較小，錨鏈艙艙容等因素，結(jié)合錨地條件及水域，所以在實(shí)際選型時(shí)，確定選用AM3錨鏈鋼。

2.2 錨鏈筒及錨穴

錨鏈筒是斜穿過(guò)甲板與舷側(cè)，在船舶起、拋錨時(shí)引導(dǎo)錨鏈通向舷外的導(dǎo)管，錨穴在船舶航行時(shí)用于收存錨。一般均設(shè)置在船首兩側(cè)，以供收藏主錨。

任何一個(gè)艏錨在收起時(shí)不應(yīng)卡住首柱和船底，各船級(jí)社規(guī)范沒(méi)有對(duì)船舶向任何一舷的傾斜角度作硬性規(guī)定，只有我國(guó)“軍船規(guī)范”要求，應(yīng)保證在艦船不利橫傾3°時(shí)，錨爪不會(huì)鉤住首柱、龍骨，碰撞球鼻首，并能使錨和錨鏈順利進(jìn)出錨鏈筒、錨穴，且不得損壞船、屬具和設(shè)備等［4］。

如前所述，某型布纜船首部系泊區(qū)域空間比較緊張，首部線型十分瘦狹，且為保證錨鏈艙的容積，需要將錨機(jī)盡量往船中方向靠，同時(shí)還需考慮錨機(jī)的維修操作不受影響。為節(jié)省空間及甲板占用面積，采用1臺(tái)雙鏈輪電動(dòng)起錨機(jī)，其典型的錨系布置圖見(jiàn)圖1。

這些參數(shù)對(duì)拋起錨性能的影響如下：

（1）β

β角太小，錨鏈在甲板凸緣處的摩擦阻力很大，可以通過(guò)在錨鏈筒上口的板上設(shè)置導(dǎo)鏈滾輪予以改善，錨鏈筒上口也就無(wú)須再設(shè)置鑄鋼凸緣；β角太大，會(huì)造成舷側(cè)出口處的摩擦阻力很大，致使起錨時(shí)收卷錨鏈的力量減弱，且錨柄不易納入錨鏈筒或納入錨鏈筒之后不易自動(dòng)脫出，通常β在35°～ 60°之間。

（2）α

α角越小，拋起錨時(shí)所受阻力越小，但它影響舷側(cè)出口A1、B1的大小?？刂葡蟼?cè)鏈孔的位置，是為了保證起錨時(shí)，即使船體不利傾斜一定角度時(shí)，錨爪也不會(huì)卡住首柱或龍骨。α角通常在20°～ 30°之間。

（3）A2

A2的選取應(yīng)與首部的線型相配合，使舷側(cè)開(kāi)口處有適當(dāng)?shù)木€型，并與甲板上的設(shè)備布置相配合。

（4）B2

B2的選取應(yīng)與錨機(jī)鏈輪相配合，以免錨鏈?zhǔn)艿竭^(guò)分轉(zhuǎn)折；

（5）A3

A3的選取受錨鏈艙的位置及甲板布置的限制。通常要求A3取4 872d（或12～18倍錨鏈環(huán)長(zhǎng)度），A3太小，使錨鏈在錨機(jī)錨鏈輪處受到扭轉(zhuǎn)，A3偏大的情況下，為了防止拋起錨時(shí)錨鏈跳動(dòng)及重力下垂，可以在A3/2處設(shè)置導(dǎo)鏈槽及托架。

（6）C2

一般為保證錨的收存，C2的取值約為1.53C1。

（7）錨鏈筒的位置應(yīng)使其軸線盡可能垂直于通過(guò)其舷側(cè)出口處的水線，即θ角為90°［1］。這樣可以簡(jiǎn)化錨鏈筒特別是錨穴的設(shè)計(jì)。

綜上所述，錨鏈筒的布置和設(shè)計(jì)、以上各參數(shù)的選擇是否適當(dāng)，將直接影響拋起錨的優(yōu)劣。但各項(xiàng)性能對(duì)錨鏈筒的參數(shù)要求可能是矛盾的。由此可見(jiàn)，錨鏈筒及錨穴位置的選定是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)可先按這些參數(shù)的常用數(shù)值，參考母型船以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步選定參數(shù)值，然后進(jìn)行初步的作圖［6］，在綜合考慮后，再對(duì)這些參數(shù)作適當(dāng)?shù)膬?yōu)化修改。并專門制作一定比例的木質(zhì)模型，來(lái)檢查拋起錨情況及錨貼合情況是否良好。

由于本船采用的是暗式錨穴形式，為保證錨鏈筒長(zhǎng)度，保證錨鏈?zhǔn)辗彭樌椒€(wěn)，不發(fā)生跳鏈，又因錨鏈輪中心與錨鏈筒中心不能在一條直線上而不得不采用傾斜一定角度的導(dǎo)鏈滾輪，為盡量減少大角度傾斜式導(dǎo)鏈滾輪對(duì)錨鏈的磨損，打破常規(guī)，采取錨鏈筒軸線不垂直于舷側(cè)出口水線的作法，經(jīng)多次剖面作圖，確定了相對(duì)合適的錨鏈筒開(kāi)口位置和錨鏈筒中心線與船中線的夾角（見(jiàn)圖2）。由于受線型影響，確定的錨鏈筒長(zhǎng)度仍然偏小，所以最終采用了短桿錨的型式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，這樣在錨抓力方面會(huì)有所損失。實(shí)船錨系拍攝的照片見(jiàn)下頁(yè)圖3。

圖2 某型布纜船錨系布置

2.3 導(dǎo)鏈滾輪

導(dǎo)鏈滾輪設(shè)置在錨鏈筒甲板出口處，用于錨鏈筒上出口處導(dǎo)向，在拋起錨時(shí)使錨鏈與甲板上的筒口之間不發(fā)生摩擦，并能有效防止錨鏈的翻滾。

如前所述，由于受各方面條件限制，某型布纜船錨系設(shè)計(jì)采用雙鏈輪臥式錨機(jī)，使得兩個(gè)錨鏈筒的角度不易調(diào)整，必須把導(dǎo)鏈滾輪調(diào)整到一個(gè)合適的角度，即導(dǎo)鏈滾輪的位置與傾斜角度應(yīng)裝成與錨鏈筒傾斜相一致［7］，見(jiàn)圖2中B向視圖所示。

圖3 實(shí)船拍攝照片

2.4 掣鏈器

掣鏈器是船舶在航行或拋錨時(shí)夾住錨鏈的裝置。CCS、GL、LR及DNV等船級(jí)社的規(guī)范要求，掣鏈器及其支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受所通過(guò)錨鏈的最小破斷負(fù)荷的80%，在此情況下，其受力構(gòu)件不產(chǎn)生永久變形。

常用的掣鏈器有：鑄鋼閘刀掣鏈器、停泊掣鏈器和螺旋掣鏈器等。

某型布纜船錨系采用鑄鋼閘刀掣鏈器（可按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選?。?，根據(jù)其基座及支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受錨鏈的最小破斷負(fù)荷的80%的設(shè)計(jì)載荷要求。

2.5 起錨機(jī)

起錨機(jī)是放出或收進(jìn)錨鏈及錨的甲板機(jī)械。起錨機(jī)按主軸的方向分為臥式起錨機(jī)和立式起錨絞盤兩大類。臥式起錨機(jī)安裝簡(jiǎn)單，使用、維修、保養(yǎng)方便，只是整套設(shè)備安裝在甲板面上，占用空間較大。某型布纜船選用雙鏈輪臥式錨機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是布置較緊湊，在首部線型瘦狹的前提下，保證錨鏈艙艙容。缺點(diǎn)是兩個(gè)錨鏈筒的角度不易調(diào)整，且導(dǎo)鏈滾輪必須調(diào)整到合適的角度，給設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)一定的難度，起錨機(jī)的布置見(jiàn)圖2。

根據(jù)CCS、GL、LR及DNV等船級(jí)社的規(guī)范要求，如設(shè)有掣鏈器，起錨機(jī)及其支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受所通過(guò)錨鏈的最小破斷負(fù)荷的45%；如不設(shè)掣鏈器，起錨機(jī)及其支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受破斷負(fù)荷的80%。

借助通用有限元軟件FeMap、NX.Nastran，對(duì)各種工況下，起錨機(jī)、掣鏈器及其基座、導(dǎo)鏈滾輪、及船體支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和強(qiáng)度校核。具體計(jì)算工況為：工況1錨機(jī)左側(cè)鏈輪承受45%的錨鏈破斷負(fù)荷；工況2錨機(jī)右側(cè)鏈輪承受45%的錨鏈破斷負(fù)荷；工況3錨機(jī)兩側(cè)鏈輪同時(shí)各承受45%的錨鏈破斷負(fù)荷；工況4掣鏈器承受80%的錨鏈破斷負(fù)荷。

2.5.1 有限元模型示意圖

見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 有限元模型單元示意圖

圖5 有限元模型板厚示意圖

2.5.2 有限元計(jì)算結(jié)果

各工況下的船體支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與許用應(yīng)力的比較見(jiàn)下頁(yè)表1，詳細(xì)應(yīng)力分布見(jiàn)附錄。由表1可知，在工況1-工況4的情況下，錨機(jī)和掣鏈器支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均小于規(guī)范許用值，錨機(jī)和掣鏈器的船體支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足CCS規(guī)范要求。

表1 有限元計(jì)算結(jié)果與許用應(yīng)力的比較

3 結(jié) 論

船舶錨系設(shè)計(jì)是船舶舾裝設(shè)計(jì)中的一大重點(diǎn)和難點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以先根據(jù)母型船以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步確定參數(shù)，然后通過(guò)放樣作圖，在圖上逐步分析檢查各項(xiàng)要求是否滿足，作綜合考慮后，對(duì)各參數(shù)作適當(dāng)優(yōu)化修改，然后制造實(shí)樣木錨、錨鏈筒及錨穴模型進(jìn)行拉錨試驗(yàn)，檢查拋起錨是否順利，并檢查錨與錨穴應(yīng)緊貼良好，最后確定錨鏈筒的位置和錨穴尺寸。本文通過(guò)某型布纜船錨系設(shè)計(jì)，總結(jié)了部分設(shè)計(jì)心得與經(jīng)驗(yàn)，供同行業(yè)舾裝設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)時(shí)參考。

［1］ 中國(guó)船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)(舾裝分冊(cè))［M］.國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

［2］ 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范［M］.人民交通出版社，2012.

［3］ 葛云卿，朱國(guó)英，吳洪保.船舶設(shè)備［M］.哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1987.

［4］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn).GJB4000-2000.艦船通用規(guī)范［S］.

［5］ 胡曉芳，丁德勇.錨鏈直徑對(duì)船舶錨泊能力的影響［J］.中國(guó)艦船研究，2014（4）.

［6］ 陳金發(fā).船舶錨鏈筒的設(shè)計(jì)和放樣［M］.國(guó)防工業(yè)出版社，1980.

［7］ 蔣壽愷.船舶舾裝［M］.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979.