劉林偉

(江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團)有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212002)

0 引言

全回轉拖船具有靈活的操縱性，在有限的空間內能夠任意方向進行船舶運動，能夠協(xié)助大型船舶靠離碼頭、消防、引航、拖帶等各種作業(yè)要求，已成為各大港口必不可少的作業(yè)工具。隨著我國北方港口的開放，經濟交流日益廣泛，各港口的運輸業(yè)越來越繁忙，積極推動了當地經濟的快速發(fā)展。眾所周知，我國具有較長的海岸線，不同地理位置的港口作業(yè)條件存在著較大的差異，特別是北方寒冷地區(qū)，例如:渤海灣，冬季溫度低，港口的冰層厚度可達到70 cm，這對港口運輸業(yè)發(fā)展以及港區(qū)船舶進出港造成了很大的困難和安全隱患。因此，港口對配套作業(yè)的全回轉拖船的船型、性能及功能提出了更高的要求。

根據實地的調研，針對這些港口的地理、氣候等地域特征，結合破冰船的特點，設計研發(fā)出一種更加適合北方冰區(qū)作業(yè)的帶破冰功能的全回轉拖船。

1 破冰船的特點

破冰船是服務類船舶，主要用來破碎冰層，開辟航道，引導冰區(qū)內船舶的航行。船身短而肥，龍骨傾斜，艏柱前傾;整船結構強度高，水線區(qū)域的船體外板用加厚鋼板或高強度鋼板和加密骨架進行加強，空船重量大。作業(yè)時，船舶艏部在行進中對冰層連續(xù)或反復突進式捶壓破冰?？偟恼f來，破冰船的主要特點是船長小、型寬大，自重大、功率大。

2 帶破冰功能的全回轉拖船的線型特點

為適用于B3級冰區(qū)的作業(yè)要求，將帶破冰功能的全回轉拖船的線型設計成破冰型勺型艏、斜艏柱，大圓角船艉，以適合船速、性能、頂推和冰區(qū)作業(yè)?！吧仔汪?、斜艏柱”為破冰船艏部的典型線型，其艏部型線圖如圖1所示。實船艏部如圖2所示。實船艏部與水線的夾角不易大，否則會形成撞冰而非壓冰，出現作業(yè)時船舶的震動加大，艏柱受力過大甚至變形，降低船舶的作業(yè)時間等一系列問題。

圖1 帶破冰功能的全回轉拖船艏部型線圖

由于鋼板與冰之間的摩擦系數約為0．2，在設計船舶型線時為避免船舶的舷側外板被冰擠壓變形，需對舷側外板進行受力分析，控制舷側外板與垂直面之間的夾角。

在船舷側外板上，冰的壓力可分為2個方向上的力:即垂直于外板的壓力R和相切于外板的切力F，其受力簡圖如圖3所示。合力P和R之間存在著一定的夾角b，即外板對豎直線的傾斜角a，b=a，F=Rtan α。根據規(guī)范:冰與外板的摩擦力 Q=0．2R，其中0．2是冰與鋼板間的摩擦系數。因此，當a＞11°時，Q＜F，切力F就會把附著在船身上的冰推到水里，冰沿著船舷滑動，并不會對船造成損壞;當a＜11°時，Q＞F，摩擦力Q會使冰塊壓在船舷，阻礙冰塊的滑動，船舷在長時間的受力情況下就會被壓壞變形。

圖2 帶破冰功能的全回轉拖船實船艏部

圖3 受力簡圖

3 船舶的平衡及穩(wěn)定性

船舶滿載時要求船舶基本保持水平(橫傾不大于0．5°)，無艏傾。因本船整船結構強、重量大，尤其是艏部，空船的重心位置偏中前，所以本船在設計時需充分考慮液艙的布置位置，避免出現艏傾對船舶的作業(yè)效果和作業(yè)時間造成不利的影響。在拖船干舷足夠的情況下，可在拖船艏部或艉部設置壓載艙，用來控制拖船的航行浮態(tài)。拖船在航行時必須保證航向的穩(wěn)定性，且船身無振動。

船舶在完工試航前必須進行傾斜試驗，并根據傾斜試驗數據校核港作和近海拖帶調遣2種船舶工況下的船舶完整穩(wěn)性。

4 結構設計重點

(1)船體結構按照《國內航行海船建造規(guī)范》進行設計和制造，滿足船東作業(yè)水域冰級冰區(qū)的強度要求。根據規(guī)范要求在外板上劃分出首、中、尾3個冰帶區(qū);對于無平行縱體的拖船，僅有首、尾2個冰帶區(qū)。根據最大吃水和最小吃水繪出垂向的高位冰區(qū)水線(UIWL)和低位冰區(qū)水線(LIWL)，由此確定船體的冰區(qū)加強區(qū)圖。

(2)在舵槳裝置處船體結構進行特別加強，舵槳本體水下部分均需與船舶一致的冰級強度要求進行強度校核。舵槳布置圖如圖4所示。

(3)板型焊接船艏柱。整根艏柱鋼板制成，保持面板的彎曲與船體線型一致，并與船殼板及龍骨板焊接。為了滿足船舶頂推作業(yè)的要求，按CCS規(guī)范要求，對船體艏部進行加強。

圖4 舵槳布置圖

(4)全船采用橫骨架式，根據規(guī)范要求每檔肋位安設主肋骨(滿足規(guī)范對冰區(qū)的要求)和甲板橫梁，每隔4檔安設強肋骨和強橫梁。對于艏冰帶加強區(qū)域內的構件布置可采用變肋距、中間肋骨或加厚肋骨來迎合實際受力和規(guī)范的要求;艏部水線曲度變化較大的艏尖艙內，肋骨間距的選取需要特別注意，應取肋位間的跨距。舷側設有1道舷側縱桁貫穿全船，同時為了滿足規(guī)范強度要求，船艏部可設有短縱桁，但艏尖艙外的舷側縱桁必須延長至距首垂線0．3 L(L為船長)處。甲板上設置5道甲板縱桁用來支撐甲板橫梁，必要的地方可設置支柱來加強支承。

(5)艉縱舯底部設置分水踵，每檔肋骨處設置加強筋板;兩舷設置舭龍骨，考慮到破冰時舭龍骨容易撕裂的情況，位于艏冰帶區(qū)的舭龍骨需設置斜向支撐;若船舶作業(yè)于惡劣冰況的水域，則建議不設舭龍骨。

(6)船體艏部設有艏部操作平臺，操作平臺的坡度不易過大或過小。坡度大了，員工作業(yè)時不易站立，容易打滑，危險系數大;坡度小了，甲板上浪的積水不能及時排出，容易出現結冰現象，員工作業(yè)時易打滑，危險系數更大。根據經驗，將其坡度限定在2°～4°以內，同時在平臺上鋪設格柵或防滑棱，阻止水或冰與作業(yè)人員鞋底的直接接觸。在冰期氣候特別惡劣(滴水成冰)的港口拖船，可在格柵或防滑棱上面再鋪設錦綸防滑網。

(7)所有機械設備和附件在下列設計條件下能夠保證正常運行和達到額定功能:

大氣壓力 0．1 MPa

環(huán)境溫度最高 45℃;最低－25℃

相對濕度 85%

海水溫度 32℃

5 破冰功能的實現

本船裝有艉推進裝置，船舶運轉時螺旋槳在船艉提供強大的推力，根據船艏柱的線型特點，使船艏沖至冰面上。破冰船要求具有傾斜的艏部，同時艏部吃水淺，這樣才能保證破冰作業(yè)時船艏輕輕松松地沖上冰面。當船艏部分出現在水面上的重量大于冰層所能承受的力時，冰層就被壓碎。然后船舶向后倒行一定的距離，再次全速向前沖上冰層，利用船艏重量壓碎冰層。這個時候的船舶就像是一個速度低而重量極大的大塊頭，是一個超大磅的重錘。如此反復，冰封的港口航道內就被撕開了一個口子，為大型船舶的靠離碼頭保駕護航。

6 結語

改革開放以來，我國經濟的飛速發(fā)展離不開港口經濟的推動。作為世界上最長海岸線的國家之一，相比繁榮的南部和東部口岸，渤海灣地區(qū)的港口經濟正在迎頭趕上，而港口吞吐量是衡量港口經濟的重要指標之一。船舶的靠離需要拖船的協(xié)助，進出港口離不開拖船的護航。隨著世界貿易的增長，運輸船舶逐步往大型化發(fā)展。一定噸位的船舶需要配置相當數量和功率的拖船，拖船的配置直接關系著港口的吞吐量，而本文設計的帶破冰功能的全回轉拖船正是為渤海灣各港口量身定制的船型，為該地區(qū)港口經濟的持續(xù)發(fā)展提供了保障。

根據實船交付后的使用情況反饋，本船型完全達到設計預期的要求。在冰期的渤海灣內時刻可以看到它們忙碌的身影，經常出現人歇船不歇的現象。即使是嚴寒期的疊冰現象也能輕松破除，使得冰期的渤海灣也能依舊繁華。

［1］ 中國船級社．鋼質海船入級規(guī)范 (第2分冊)［M］．北京:人民交通出版社，2015．