朱國鋒，張禮貴

(南京市地方海事局，江蘇 南京 200036)

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內(nèi)河浮吊動穩(wěn)性計(jì)算與分析

朱國鋒，張禮貴

(南京市地方海事局，江蘇 南京 200036)

為保證過駁浮吊安全高效操作，在研究動穩(wěn)性計(jì)算理論分析的基礎(chǔ)上，針對某實(shí)船進(jìn)行計(jì)算及改建方案的分析，通過對實(shí)船進(jìn)行現(xiàn)場勘驗(yàn)、傾斜試驗(yàn)及最大吊距并起吊不同荷重時船舶橫傾試驗(yàn)，對計(jì)算中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了滿意的效果，相關(guān)分析對該類船舶的設(shè)計(jì)和改建工作具有指導(dǎo)意義。

內(nèi)河船；起重船；動穩(wěn)定性；穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)；橫傾角

0 引言

船舶的動橫傾角研究一直都是船舶動穩(wěn)性研究中重要而又復(fù)雜的問題。過駁浮吊作為工程船的一種，是港口船舶裝卸的重要工具，需要頻繁往復(fù)旋轉(zhuǎn)起吊貨物。在每次起吊瞬間，由于外力突變，橫傾力矩會使船舶發(fā)生傾斜，位于高處的浮吊控制室會產(chǎn)生很大的俯仰及加速度，這會嚴(yán)重影響操作人員的工作環(huán)境[1]，因此在這種情況下，就必須進(jìn)行動穩(wěn)性的計(jì)算與分析。南京港浮吊壹號船雖然其靜穩(wěn)性滿足相關(guān)規(guī)范，但動橫傾角還是無法滿足實(shí)際工作的要求。由于現(xiàn)有常規(guī)內(nèi)河船舶穩(wěn)性計(jì)算軟件不具有計(jì)算動傾角的功能，因此本文采用船舶原理的相關(guān)知識計(jì)算該船的動橫傾角。通過不同改建方案對比，最終獲得有效、經(jīng)濟(jì)同時又滿足安全操作需求的船舶改建方案。

1 理論依據(jù)

由靜力學(xué)相關(guān)知識可知[2]，船舶靜穩(wěn)性是指外力矩逐漸作用在船上而使船發(fā)生傾斜，橫傾時角速度很小，可以認(rèn)為等于0。當(dāng)復(fù)原力矩MR和外力矩MH相等時即達(dá)到平衡狀態(tài)，此時，船舶的靜穩(wěn)性是以復(fù)原力矩來表達(dá)的。而在實(shí)際工作過程中外力矩MH通常會突然作用在船舶上，使船舶傾斜時具有明顯的角速度。如圖1所示，當(dāng)外力矩MH瞬間作用在船舶上使得船舶發(fā)生傾斜，隨著船舶的傾斜，復(fù)原力矩MR逐漸增大，當(dāng)復(fù)原力矩MR增大到與外力矩MH相等時，即A點(diǎn)，由于船舶此時具有一定的角速度，其會繼續(xù)傾斜至最大橫傾角Φd處。此時由于復(fù)原力矩MR大于外力矩MH，船舶傾角會逐漸減小，處于0與Φ1之間某個角度，然后又增大至Φ1與Φd之間某個角度，船舶的傾角將在0與Φd之間往復(fù)擺動，但是由于空氣及水阻力的作用，船舶擺動的角速度逐漸減小，最后將會平衡于靜橫傾角Φ1處，如圖2所示。由此可知，只有當(dāng)外力矩做的功TH完全由復(fù)原力矩所做的功TR所抵消時，船舶的角速度才等于0而停止傾斜，此時，船舶的動穩(wěn)性是以復(fù)原力矩所做的功來表達(dá)的。

圖1 船舶動穩(wěn)性

圖2 船舶橫傾角隨時間變化曲線

當(dāng)船舶由Φ=0傾斜至Φd時，外力距MH所做的功為：

復(fù)原力矩MR在Φ=0與Φd之間所做的功為：

由圖1可以看出：外力矩所做的功TH為曲線OEDC所圍面積，復(fù)原力矩所做的功TR為曲線OABC所圍面積。當(dāng)外力矩所做的功與復(fù)原力矩所做的功相等時，此時的Φd為動橫傾角。由于OADC所圍面積為兩者共有部分，所以當(dāng)面積OEA與面積ABD相等時，即得到船舶動橫傾角[3]。根據(jù)這個原理，可以計(jì)算出動力作用下的動橫傾角Φd。

2 實(shí)船資料

2.1 主尺度

最大船長

45.46m

總長

45.00m

垂線間長

45.00m

型寬

18.00m

形深

3.50m

設(shè)計(jì)吃水

1.70m

肋距

0.50m

梁拱

0.20m

2.2 改造前穩(wěn)性數(shù)據(jù)

該船配備1臺FQ2533浮式起重機(jī)，額定起重量25t，最大起吊半徑33m。通過對實(shí)船進(jìn)行現(xiàn)場勘驗(yàn)、傾斜試驗(yàn)以及最大吊距并起吊額定起重量時船舶橫傾試驗(yàn)，得出船舶靜傾角和動傾角分別為3.35°與6.61°，舷側(cè)最大吃水為2 742mm，左右舷吃水差值2 086mm，位于高處的浮吊控制室橫向偏移2 549mm，這會嚴(yán)重影響操作人員的工作環(huán)境，也存在一定的施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 改造要求

由于在起吊過程中貨物太重、吊距太大以及存在貨物起吊加速度，導(dǎo)致船舶動穩(wěn)性性能太差、船舶傾角太大，不能保證工作人員的舒適性以及安全性，因此需要對船舶進(jìn)行改建，使得改建后的方案能夠達(dá)到實(shí)際工作的需求[4]。根據(jù)船東的要求，船舶在額定起重量25 t，最大吊距33 m工作狀態(tài)條件下，其動橫搖角控制在2°以內(nèi)可滿足工作安全的要求。但是，由于在實(shí)際工作過程中，起重機(jī)在吊運(yùn)起升載荷時，受垂向加速度和沖擊的影響，在起重機(jī)的結(jié)構(gòu)上增加了起升動載力[5]。其起升系數(shù)φh根據(jù)起重船規(guī)范按下式算得：

φh=1+CV

式中：V為起升速度，當(dāng)起升速度超過1 m/s時，仍按1 m/s計(jì)算；C為決定于起重機(jī)剛度的系數(shù)，對臂架式起重機(jī)取0.3。

根據(jù)規(guī)范，在任何情況下臂架式起重機(jī)的起升系數(shù)應(yīng)不小于1.1，因而根據(jù)改建船舶的工作需求，φh取1.1。

根據(jù)上述分析和計(jì)算，改建后的方案需要滿足吊重27.5 t、吊距33 m，其動橫搖角控制在2°左右的工作要求。

3 方案評估

改善船舶穩(wěn)性、減小船舶橫傾角的方法主要有降低船舶重心、減小吊重、增加船寬、設(shè)置舭龍骨、設(shè)置邊浮箱、減搖設(shè)備等。下面將具體分析在選定的不同方案下，船舶穩(wěn)性及橫傾角的變化情況，由此對比評估得出優(yōu)選的改造方案。

3.1 降低船舶重心

降低船舶重心高度可以改善船舶穩(wěn)性，表1給出增加固定壓載前后的初穩(wěn)性高度衡準(zhǔn)數(shù)GM1/GMZ-1與橫傾角的變化。

表1 不同重心高度下的初穩(wěn)性高度衡準(zhǔn)數(shù)與橫傾角

3.2 減小吊重

對于起吊作業(yè)的工程船舶來說，減小吊重是提高船舶穩(wěn)性、降低傾角的最直接的方法。表2給出吊重分別為25、22、19、16 t情況下初穩(wěn)性高度衡準(zhǔn)數(shù)GM1/GMZ-1與橫傾角的變化。

表2 不同吊重下的初穩(wěn)性高度衡準(zhǔn)數(shù)與橫傾角

3.3 船寬加寬

增加船寬是提高船舶初穩(wěn)性高度、減小船舶橫傾很有效的一種方法[6]。表3給出在船寬分別加寬3、4、5、6、7 m的情況下初穩(wěn)性高度衡準(zhǔn)數(shù)GM1/GMZ-1與橫傾角的變化。

3.4 船寬加寬和吊距減小

對于起重船舶來說，減小吊距就相當(dāng)于減小外力距，進(jìn)而可以減小船舶的傾角。表4給出在30 m吊距、不同船寬作業(yè)情況下初穩(wěn)性高度衡準(zhǔn)數(shù)GM1/GMZ-1與最大橫傾角的變化。

表3 不同船寬下的初穩(wěn)性高度衡準(zhǔn)數(shù)與橫傾角

表4 30 m吊距、不同船寬下的初穩(wěn)性高度衡準(zhǔn)數(shù)與橫傾角

4 方案確定

通過分析上述方案數(shù)據(jù)可以得出，第1種方案降低船舶重心后，在增加固定壓載前后船舶穩(wěn)性與橫傾角并沒有明顯的變化。第2種方案減小吊重后，通過計(jì)算，當(dāng)?shù)踔販p小到16 t時，船舶動傾角仍不能達(dá)到實(shí)際的工作要求，并且不能滿足實(shí)際營運(yùn)的要求。第3種方案，隨著船寬的增加，其動橫傾角計(jì)算值減小明顯。第4種方案，雖然吊距減小，但是其傾角較第3種方案沒有明顯的改善。

綜合考慮，改建選擇增加船寬的方案。表5給出了在增加不同寬度時船舶的自搖周期和動橫傾角度。對比表中數(shù)據(jù)可以得出，在船寬增加6 m時已經(jīng)達(dá)到實(shí)際的工作要求，而船寬增加7 m較6 m沒有顯著的提高。經(jīng)過分析對比，最終確定加寬6 m并增設(shè)舭龍骨的方案為改造方案。

表5 不同船寬下的初穩(wěn)性高、自搖周期與動橫傾角

對比改造之前的數(shù)據(jù)，在最大吊重25 t及最大吊距33 m的起吊情況下，改建后方案的靜傾角由原來的3.35°減小至1.14°，動橫傾角由原來的6.61°減小至2.01°。

5 結(jié)語

實(shí)船目前已經(jīng)完成了改造工作，經(jīng)測量各項(xiàng)參數(shù)均與計(jì)算數(shù)值相符。改造后的方案大大提高了船舶的動穩(wěn)性，滿足了船舶安全操作的要求，改善了工人的工作環(huán)境同時獲得客戶的肯定。

過駁浮吊船有其自身工作要求的特殊性。為了保證船舶安全操作，本文首先在對動穩(wěn)性計(jì)算理論分析的基礎(chǔ)上，得出了在動力作用下計(jì)算動橫傾角的方法；其次針對某實(shí)船開展了計(jì)算及改建方案的分析，通過對實(shí)船進(jìn)行現(xiàn)場勘驗(yàn)、傾斜試驗(yàn)及最大吊距并起吊不同荷重時船舶橫傾試驗(yàn)，對計(jì)算中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定采用增加船寬的方案。根據(jù)計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證，此方案獲得了滿意的改造效果，相關(guān)分析對該類船舶的設(shè)計(jì)和改建工作也具有指導(dǎo)意義。

[1] 馮鐵城.在沖擊外力矩作用下的橫搖運(yùn)動[J].船舶工程,1983(4)：8-10,30.

[2] 盛振邦,劉興中.船舶原理[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2012:50-51.

[3] 劉家新.工程船舶作業(yè)力矩作用下的橫搖運(yùn)動[J].武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào),1995,6(2):180-188.

[4] 吳芝亮.浮式起重船吊裝過程的計(jì)算機(jī)仿真[J].中國海上油氣,2002,10(5):56-59.

[5] 王學(xué)亮.大型起重船在海浪中的運(yùn)動響應(yīng)研究[D].天津:天津大學(xué),2002.

[6] 芮光六.起重船吊物系統(tǒng)的擺動分析及其控制研究[D].天津:天津大學(xué),2004.

2016-05-24

朱國鋒(1975—)，男，高級工程師，主要從事船舶檢驗(yàn)工作及相關(guān)技術(shù)研究。

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