非自航船錨泊設(shè)備選型設(shè)計(jì)

崔宏林，王金鑫

(1.中國人民解放軍92941 部隊(duì)，遼寧 葫蘆島125000;2.渤海船舶職業(yè)學(xué)院 船舶工程系，遼寧 葫蘆島125000)

0 引 言

錨泊是船舶的一種停泊方式，某型非自航船錨泊是一種為滿足特殊使用需求而進(jìn)行的定位錨泊操作。錨泊設(shè)備主要由錨、錨鏈、錨鏈筒、錨架、掣鏈器、導(dǎo)纜滾輪、導(dǎo)索器、起錨機(jī)、錨鏈管、錨鏈艙和棄錨器等部分組成［1］。錨機(jī)的可靠工作是保證非自航船安全的重要條件，在許可操作的最惡劣氣候條件下，船上錨機(jī)應(yīng)具有起錨的拉力，拉力大小至關(guān)重要，拉力過小，無法達(dá)到起錨的目的;拉力過大，不僅不經(jīng)濟(jì)，而且易導(dǎo)致錨鏈拉斷等損失［2］。因此，必須進(jìn)行安全合理、經(jīng)濟(jì)可行的錨泊設(shè)備選型設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1 船體結(jié)構(gòu)

該船為無槳非自航船，使用時(shí)采用拖輪拖帶航行;船體為鋼質(zhì)雙體船，主要由2個(gè)片體及平臺(tái)連接橋組成;片體的首尾端流線型設(shè)計(jì)。

1.2 主要尺度

船體尺寸:長(zhǎng)L，m，寬B，m;片體尺寸:寬w，m，高h(yuǎn)，m;片體數(shù):2;設(shè)計(jì)吃水d，m;排水量Δ，t。

1.3 設(shè)計(jì)要求

采用臥式錨機(jī)和配套發(fā)電機(jī)組;10 級(jí)風(fēng)不破壞、不傾覆;4 級(jí)海況下正常操作。

2 船舶錨泊作業(yè)工況

根據(jù)使用需求，作業(yè)環(huán)境為水深50 m 以內(nèi)，6級(jí)海況下“首向迎浪”錨泊定位可靠(即不走錨)，4 級(jí)海況下正常起錨，具體作業(yè)工況如下:

工況1 拖船全程配合，協(xié)助該船起錨;

工況2 該船全程自行起錨;

工況3 該船與拖船并靠(拖船停車)，該船全程自行起錨。

其中，工況3為特殊工況，實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)概率偏低。

3 船舶錨系計(jì)算

3.1 按CCS 《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》進(jìn)行錨配置

錨泊設(shè)備按CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》選取時(shí)，其基礎(chǔ)為水流速度2.5 m/s (5 kn)，風(fēng)速25 m/s，相應(yīng)拋出的錨鏈長(zhǎng)度與水深之比為4～8的范圍內(nèi)，而且假定在正常情況下錨泊時(shí)僅用1 只首錨［3］。所配置的錨泊設(shè)備能使船舶在良好的錨地底質(zhì)上系留而防止走錨。

可見，按CCS 《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》計(jì)算選取錨時(shí)，其假定海況大約在8 級(jí)，可以滿足6 級(jí)海況的使用需求。

舾裝數(shù)N 按下式計(jì)算:

式中:Δ為船舶排水量，t;B為船寬，m;H為水線到艙室頂部有效高度，m;A為船長(zhǎng)范圍內(nèi)水線以上部分和上層建筑以及寬度大于B/4的甲板室的側(cè)投影面積總和，m2［1］。

實(shí)船數(shù)據(jù)代入式(1)計(jì)算，N≈123。

經(jīng)查《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》舾裝數(shù)與錨泊和系泊設(shè)備對(duì)應(yīng)表，舾裝數(shù)介于110～150 之間，需配置如下錨泊設(shè)備:

錨1 支，重量400 kg，錨鏈長(zhǎng)275 m (10 kn)，直徑在17.5 mm (AM2)以上［3］。

3.2 特殊拋錨工況下的錨鏈復(fù)核

特殊工況為6 級(jí)海況下拋錨，拖船與該船并行拖帶短時(shí)停車。

1)風(fēng)力計(jì)算

風(fēng)力作用在船舶水線以上部分，計(jì)算公式如下:

式中:ρ為空氣密度，kg/m3;ν為風(fēng)速，m/s;Ai為水線以上正向受風(fēng)面積，m2;Cs為受風(fēng)面積Ai的形狀系數(shù)［4］。

計(jì)算時(shí)，風(fēng)速按8 級(jí)風(fēng)(25 m/s)計(jì)算，形狀系數(shù)取1.2，代入式(2)計(jì)算結(jié)果為:

2)海流力計(jì)算

海流力作用在船舶水線以下部分，計(jì)算公式如下:

式中:S為水下濕表面積，m2;V為水流相對(duì)速度，m/s;CB為方形系數(shù);A為浸水部分船體橫剖面積，m2［4］。

計(jì)算時(shí)，流速取1.5 m/s，方形系數(shù)取0.98，代入式(3)～式(5)計(jì)算結(jié)果為:

3)錨鏈強(qiáng)度的校核及錨鏈直徑的確定

根據(jù)風(fēng)力和流力計(jì)算，該船及拖船共受6.5 t的水平力，此時(shí)假設(shè)該船與拖船靜止，則錨鏈?zhǔn)芰κ疽鈭D如圖1所示［5］。

圖1 錨鏈?zhǔn)芰κ疽鈭DFig.1 The forcing diagram of anchor chain

錨鏈張力的水平分量與風(fēng)、流力F 平衡，即:

式中:T為錨鏈張力，t;α為錨鏈與海底夾角，(°)。

可見，錨鏈張力與cosα 成反比，不同α 對(duì)應(yīng)不同T 值。一般情況下，錨鏈與海底夾角大于70°時(shí)，錨鏈張力即大于錨破土力。按最嚴(yán)重情況估算，在錨破土前錨鏈與船受力平衡的情況下，錨鏈將受到120 t的實(shí)際載荷，考慮1.5 倍安全系數(shù)，應(yīng)選擇試驗(yàn)拉力達(dá)到180 t的錨鏈，綜合AM2 級(jí)各種直徑錨鏈的拉斷載荷量表，查表后建議選取Φ24(AM2)錨鏈［6］。

計(jì)算結(jié)論如下:6 級(jí)海況下，拖船和該船并拖時(shí)，將受到約6.5 t的風(fēng)力和流力，按此種工況對(duì)錨鏈進(jìn)行校核，錨鏈直徑需加大，兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性，建議錨鏈選取Φ24 (AM2)。

3.3 Φ24 錨鏈對(duì)應(yīng)錨機(jī)拉力及功率的計(jì)算

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》要求，Φ24 錨機(jī)需具備如下能力:正常工作負(fù)荷2.7 t，正常工作負(fù)荷下連續(xù)工作時(shí)間30 min，過載工作負(fù)荷4 t，過載工作負(fù)荷下連續(xù)工作時(shí)間2 min［7］。

錨機(jī)功率P 可通過下式估算:

計(jì)算后P=8 kW，經(jīng)咨詢錨機(jī)廠家，建議錨機(jī)功率選取8.5 kW 左右。

3.4 三種起錨工況下的錨機(jī)功率及發(fā)電機(jī)功率校核

按照4 級(jí)海況下拖船協(xié)助該船收錨、該船自行收錨、該船拖帶拖船自行收錨3 種工況進(jìn)行錨機(jī)功率和發(fā)電機(jī)功率校核。

3.4.1 第1 種工況計(jì)算

1)錨機(jī)自行拔錨的破土力計(jì)算

錨機(jī)自行破土?xí)r，錨機(jī)實(shí)際負(fù)荷由瞬時(shí)破土力(按錨的最大抓力算)、錨和錨鏈自重3 部分組成。經(jīng)上述計(jì)算，錨重360 kg，錨鏈重650 kg (Φ24，50 m);錨抓力為2.2～2.9 t (即6～8 倍錨重)，共計(jì)約為3.3 t～4 t，在8.5 kW 錨機(jī)短時(shí)負(fù)荷(4 t)之內(nèi)。

2)發(fā)電機(jī)功率計(jì)算

按CCS 《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》關(guān)于發(fā)電機(jī)組“發(fā)電機(jī)應(yīng)有足夠的儲(chǔ)備容量，以保證最大的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷要求”的要求，根據(jù)錨機(jī)廠家提供的錨機(jī)電機(jī)數(shù)據(jù)如下:8.5 kW/3.5 kW 交流電機(jī)(380 V)，工作電流17.9 A，啟動(dòng)電流72 A，可計(jì)算出發(fā)電機(jī)輸出功率為38 kW。

結(jié)論:此種工況下，拖船拖帶該船前行，然后聯(lián)合破土，錨機(jī)最大負(fù)荷為破土力，最大破土力在4 t 以下，可選擇8.5 kW 錨機(jī)，發(fā)電機(jī)功率40 kW。

3.4.2 第2 種工況計(jì)算

風(fēng)力作用在船舶水線以上部分，按照式(2)計(jì)算結(jié)果為0.31 t;

海流力作用在船舶水線以下部分，按照式(3)計(jì)算結(jié)果為0.09 t;

可以看出，該船收錨時(shí)，受到風(fēng)、流力約0.4 t。隨著該船與錨之間距離不斷縮小，計(jì)算得到的錨機(jī)受力從0.4 t 逐漸增大到2.3 t 時(shí)，錨即可破土。

由于之前選擇的8.5 kW 錨機(jī)額定拉力大于2.7 t(可運(yùn)行30 min)，短時(shí)拉力可達(dá)4 t (可運(yùn)行2 min)，所以，單船靠錨機(jī)前行時(shí)，在錨破土前錨機(jī)能滿足錨機(jī)拖帶該船前行的要求。

結(jié)論:此種工況下，錨機(jī)拖帶該船前行，然后破土，風(fēng)、流力造成的錨機(jī)負(fù)荷共計(jì)約2.3 t，錨破土力在4 t 以下，仍可選擇8.5 kW 錨機(jī)，發(fā)電機(jī)功率40 kW。

3.4.3 第3 種工況計(jì)算

風(fēng)力作用在船舶水線以上部分，按照式(2)計(jì)算結(jié)果約0.9 t;

海流力作用在船舶水線以下部分，按照式(3)計(jì)算結(jié)果約0.5 t;

可以看出，該船和拖船共同體收錨時(shí)，受到風(fēng)、流力共計(jì)約1.4 t，隨著該船與錨之間距離不斷縮小，計(jì)算得到的錨機(jī)受力從1.4 t 逐漸增大到4.1 t時(shí)α 角為70°。

由于之前選擇的8.5 kW 錨機(jī)額定拉力大于2.7 t (可運(yùn)行30 min)，短時(shí)拉力可達(dá)4 t (可運(yùn)行2 min)，所以，單船靠錨機(jī)前行時(shí)，在錨破土前錨機(jī)能滿足錨機(jī)拖帶該船前行的要求;而靠錨機(jī)拖動(dòng)該船和拖船共同體前行時(shí)，在錨鏈與海底夾角小于60°時(shí)，錨機(jī)可以滿足前行負(fù)荷要求;在錨鏈與海底夾角大于70°時(shí)，雖然理論計(jì)算負(fù)荷已超出錨機(jī)額定拉力，但此時(shí)錨鏈拉力大于錨破土力，錨已破土。

結(jié)論:此種工況下，錨機(jī)拖帶該船與拖船聯(lián)合體前行。靠錨機(jī)拖動(dòng)該船和拖船共同體前行時(shí)，在錨鏈與海底夾角小于60°時(shí)，8.5 kW 錨機(jī)可以滿足前行負(fù)荷要求;在錨鏈與海底夾角大于70°時(shí)，錨鏈張力大于錨破土力，錨破土。故選擇8.5 kW 錨機(jī)，發(fā)電機(jī)功率40 kW，基本滿足本工況要求。

4 結(jié) 語

依據(jù)使用需求及船舶結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了錨泊設(shè)備選型設(shè)計(jì)。經(jīng)過計(jì)算校核，Φ17.5 mm (AM2)錨鏈及40 kW 發(fā)電機(jī)即可滿足本船使用，為了加強(qiáng)錨泊和供電能力的安全性及可靠性，最終選用了Φ24 mm(AM2)錨鏈、8.5 kW 錨機(jī)及50 kW 發(fā)電機(jī)組。

應(yīng)用本設(shè)計(jì)結(jié)果配置的非自航船經(jīng)海上實(shí)操使用，錨泊設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定，拋錨、收錨效果良好，工作效率高、經(jīng)濟(jì)效益顯著。

［1］朱連宇.非自航工程船舶錨泊設(shè)備配置計(jì)算探討［J］.天津航海，2007(3):13－15.

［2］Γ.Л.考夫契可夫，嚴(yán)景中.錨機(jī)最佳參數(shù)的確定［J］.機(jī)電設(shè)備，1976(1):60－63.

［3］鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范(2009)［M］.北京:人民交通出版社，2009.

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［5］于洋，謝永和.非均勻條件下的船舶錨鏈靜力特性快速計(jì)算［J］.中國航海，2010(1):42－45.

［6］江蘇科技大學(xué)船海學(xué)院.3000 噸級(jí)散貨船舾裝計(jì)算書［EB/OL］.http://www.docin.com/p－625724159.html.

［7］金永興，伍生春.船舶結(jié)構(gòu)與設(shè)備［M］.北京:人民交通出版社，2004.