連續(xù)卸船機整機海運技術研究與應用

摘 要：對鏈斗式連續(xù)卸船機整機海運綁扎設計中的主要關鍵技術進行研究，在韓國現(xiàn)代制鐵項目上進行了應用實踐，填補了上海振華重工公司在這一領域的空白，并取得了很好的社會效益和經(jīng)濟效益。

關鍵詞：連續(xù)卸船機 整機海運 綁扎設計

作為全球碼頭裝卸設備的主供應商，上海振華重工已經(jīng)把技術創(chuàng)新作為企業(yè)生存和持續(xù)發(fā)展的必要條件。鏈斗式連續(xù)卸船機是該公司近年來開發(fā)的新市場，確保此類卸船機整機海運綁扎的高可靠性，避免海損和事故，是占領該市場的基本條件之一。現(xiàn)就整機海運技術在韓國現(xiàn)代制鐵公司5臺鏈斗式連續(xù)卸船機項目上的應用做簡要介紹。

主要關鍵技術的研究

鏈斗式連續(xù)卸船機與常規(guī)港口機械的結(jié)構形式區(qū)別很大，其總體布置概況見圖1。考慮到整機運輸和裝卸流程，在運輸船選型與配載，運輸船加速度計算，以及海運綁扎方案的設計上都有很多技術難點。尤其是其海運綁扎形式和常規(guī)港口機械綁扎形式完全不同，必須進行技術攻關，以確保整機運輸安全可靠，具體研究內(nèi)容如下。

1、運輸船選型與配載

韓國現(xiàn)代制鐵公司鐵礦石碼頭位于韓國唐津地區(qū)，航線跨過整個黃海，航程約500海里，除臺風季節(jié)需要規(guī)避外，無其它特別要求。因卸船機整機質(zhì)量大，且當?shù)睾３背辈钸_9米，必須選擇穩(wěn)性好、壓載水調(diào)載能力強的運輸船，才能保證整機運輸與滾裝滾卸的安全。

圖13500T/H鏈斗式連續(xù)卸船機

該卸船機外形尺寸大，單臺自重約2500噸，結(jié)構形式特殊，結(jié)合海運綁扎要求的考慮，BE鏈斗機構（330噸）和配重（800噸）必須放置在船甲板上方，用鋼結(jié)構塔架支撐，并約束其隨船舶運動而產(chǎn)生的附加力。通過對公司目前所有運輸船在穩(wěn)性、調(diào)載能力、甲板面積和甲板強度等幾個方面進行論證和對比后，選擇“振華24”輪運輸，單個航次裝載2臺卸船機，三個航次運完，配載情況見圖2。

圖2 振華24輪配載圖

2、運輸船加速度計算

根據(jù)配載圖以及貨物的重量、重心參數(shù)，對航行狀態(tài)下進行船舶初穩(wěn)性計算。初穩(wěn)性高約9.1m，滿足航行及裝卸要求，穩(wěn)性計算過程不在此詳述。

根據(jù)國際海運業(yè)標準的GWS（全球海域海浪統(tǒng)計資料）數(shù)據(jù)，在分析了季節(jié)和航線后，選取有義波高為4.5米。

運輸船在海浪中航行時的運動及加速度預報是采用上海船舶運輸科學研究所（SSSRI）的船舶耐波性計算程序進行計算。計算程序以美國NSRDC的FRANK切片理論為基礎，建立下列包括船舶升沉、縱搖、橫蕩、橫搖、首搖五個線性耦合的運動微分方程：

在運動及加速度的統(tǒng)計計算預報中，采用了下列的ITTC（國際拖曳水池會議）兩參數(shù)波浪譜：

其中：H1/3—波浪有義波高，T1—波浪特征周期，ω—波浪圓頻率。計算報告中，船舶在海浪中的運動（縱搖、橫搖、升沉）取運動1/10最大值平均幅值，加速度1/1000最大值平均幅值。選取運輸船一系列不同位置的點，計算出每個點的垂向、橫向、縱向加速度值，然后得出不同位置的系列點在高度方向上的加速度線性方程。

計算結(jié)果如下：

H1/3=4.5m，T1=9.0S

橫穩(wěn)性高GMο=9.1m，橫搖周期Tθ=10.7S

縱穩(wěn)性高GML=427.3m縱搖周期Tφ=7.8S

加速度值見下表：

其中：H為卸船機大車車輪踏面為基準的高度。

按照以上計算方法得到的結(jié)果，足夠滿足本項目海運綁扎設計所需。

3、運綁扎方案設計

整機海綁方案的設計主要按如下步驟進行：海綁形式的確定、結(jié)構建模與有限元分析、綁扎件設計與強度校核。

1）確定整機海運綁扎形式

鏈斗式連續(xù)卸船機的整機結(jié)構形式類似天平結(jié)構，海運綁扎設計中必須考慮分為三部分綁扎，即BE鏈斗卸料機構綁扎、主體結(jié)構綁扎、配重綁扎。其中主體結(jié)構的綁扎可以借鑒常規(guī)港口機械的綁扎形式，用撐管綁扎的形式約束主體部分的橫搖和縱搖，然后垂向支撐大車機構，以分散整機對運輸船甲板的壓力。這類綁扎形式經(jīng)過了公司多年的應用，比較成熟，可靠性高。

在對BE鏈斗機構綁扎和配重綁扎進行設計時，首要考慮的是綁扎件的安全性，其次是現(xiàn)場可操作性（高空操作），最后考慮綁扎件的經(jīng)濟性（優(yōu)化設計，用料最省）。經(jīng)過綜合比較和論證，采用支撐塔架對BE鏈斗機構和配重進行綁扎效果最好。同時考慮到卸船機的整體柔性，配重部分應用支撐塔架對其橫搖方向和垂向進行約束，而BE鏈斗機構只約束其橫搖方向（圖3）。因船舶縱搖加速度很小，三個部分中只需對主體結(jié)構進行縱向約束。

圖3BE鏈斗機構與配重綁扎

2）結(jié)構建模與有限元分析

根據(jù)對運輸船3種浪向下的加速度值對比，發(fā)現(xiàn)橫浪狀態(tài)下（浪向90°），卸船機的運動幅值最大且受力狀態(tài)最惡劣。根據(jù)ANSYS有限元程序，建立有限元模型后，計算出的橫搖狀態(tài)下，連續(xù)卸船機三大部分的受力情況（圖4）。

根據(jù)對橫浪時的卸船機受力分析，我們得到了主體部分、BE鏈斗機構、配重三個部分的約束力。其中FX，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z分別表示縱向約束力，垂向約束力和橫向約束力。

3）綁扎件設計與強度校核

根據(jù)以上載荷條件，我們對卸船機三大部分的綁扎件做了初步設計。綁扎材料主要為ST52-3螺線管材和相同強度的其它型材，其主要特性：彈性模量E=2.0×105MPa；屈服極限σy=345MPa；泊松比μ=0.3；密度ρ=7850kg/m3。根據(jù)中國鋼結(jié)構設計規(guī)范，綁扎件許用應力[σ]=0.9σy。

依據(jù)以上計算模型、載荷及邊界條件，對主體部分綁扎撐管、BE鏈斗機構支撐塔架和配重支撐塔架做強度分析，給出了支撐塔架的結(jié)構應力云圖見圖4和圖5。

圖4BE機構支撐塔架應力云圖

圖5 配重支撐塔架應力云圖

支撐塔架最大應力136.6MPa〈 [σ]=310 MPa，故在最惡劣海況下，支撐塔架結(jié)構強度和剛度均滿足要求。

在韓國現(xiàn)代制鐵項目上的應用情況

5臺卸船機分三個航次，先后順利運到現(xiàn)代制鐵礦石碼頭。其中第二個航次在兩天的航程中，受臺風影響，遇到一定的涌浪，海上目測波高約4米，運輸船最大橫搖角達5°，但沒超過設計的最大海況。在3個航次中，海運綁扎件經(jīng)受住了一定的考驗，均沒有發(fā)生異常情況。

(作者單位：上海振華重工（集團）股份有限公司)