內河浮吊動穩性計算與分析

朱國鋒，張禮貴

(南京市地方海事局，江蘇 南京 200036)

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內河浮吊動穩性計算與分析

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，在研究動穩性計算理論分析的基礎上，針對某實船進行計算及改建方案的分析，通過對實船進行現場勘驗、傾斜試驗及最大吊距并起吊不同荷重時船舶橫傾試驗，對計算中的關鍵參數進行驗證。根據計算及試驗驗證，獲得了滿意的效果，相關分析對該類船舶的設計和改建工作具有指導意義。

內河船；起重船；動穩定性；穩性衡準數；橫傾角

0 引言

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

1 理論依據

由靜力學相關知識可知[2]，船舶靜穩性是指外力矩逐漸作用在船上而使船發生傾斜，橫傾時角速度很小，可以認為等于0。當復原力矩MR和外力矩MH相等時即達到平衡狀態，此時，船舶的靜穩性是以復原力矩來表達的。而在實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，當外力矩MH瞬間作用在船舶上使得船舶發生傾斜，隨著船舶的傾斜，復原力矩MR逐漸增大，當復原力矩MR增大到與外力矩MH相等時，即A點，由于船舶此時具有一定的角速度，其會繼續傾斜至最大橫傾角Φd處。此時由于復原力矩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，只有當外力矩做的功TH完全由復原力矩所做的功TR所抵消時，船舶的角速度才等于0而停止傾斜，此時，船舶的動穩性是以復原力矩所做的功來表達的。

圖1 船舶動穩性

圖2 船舶橫傾角隨時間變化曲線

當船舶由Φ=0傾斜至Φd時，外力距MH所做的功為：

復原力矩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，復原力矩所做的功TR為曲線OABC所圍面積。當外力矩所做的功與復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，所以當面積OEA與面積ABD相等時，即得到船舶動橫傾角[3]。根據這個原理，可以計算出動力作用下的動橫傾角Φd。

2 實船資料

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

設計吃水

1.70m

肋距

0.50m

梁拱

0.20m

2.2 改造前穩性數據

該船配備1臺FQ2533浮式起重機，額定起重量25t，最大起吊半徑33m。通過對實船進行現場勘驗、傾斜試驗以及最大吊距并起吊額定起重量時船舶橫傾試驗，得出船舶靜傾角和動傾角分別為3.35°與6.61°，舷側最大吃水為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，這會嚴重影響操作人員的工作環境，也存在一定的施工安全風險。

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，導致船舶動穩性性能太差、船舶傾角太大，不能保證工作人員的舒適性以及安全性，因此需要對船舶進行改建，使得改建后的方案能夠達到實際工作的需求[4]。根據船東的要求，船舶在額定起重量25 t，最大吊距33 m工作狀態條件下，其動橫搖角控制在2°以內可滿足工作安全的要求。但是，由于在實際工作過程中，起重機在吊運起升載荷時，受垂向加速度和沖擊的影響，在起重機的結構上增加了起升動載力[5]。其起升系數φh根據起重船規范按下式算得：

φh=1+CV

式中：V為起升速度，當起升速度超過1 m/s時，仍按1 m/s計算；C為決定于起重機剛度的系數，對臂架式起重機取0.3。

根據規范，在任何情況下臂架式起重機的起升系數應不小于1.1，因而根據改建船舶的工作需求，φh取1.1。

根據上述分析和計算，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、設置舭龍骨、設置邊浮箱、減搖設備等。下面將具體分析在選定的不同方案下，船舶穩性及橫傾角的變化情況，由此對比評估得出優選的改造方案。

3.1 降低船舶重心

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

表1 不同重心高度下的初穩性高度衡準數與橫傾角

3.2 減小吊重

對于起吊作業的工程船舶來說，減小吊重是提高船舶穩性、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情況下初穩性高度衡準數GM1/GMZ-1與橫傾角的變化。

表2 不同吊重下的初穩性高度衡準數與橫傾角

3.3 船寬加寬

增加船寬是提高船舶初穩性高度、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的情況下初穩性高度衡準數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，減小吊距就相當于減小外力距，進而可以減小船舶的傾角。表4給出在30 m吊距、不同船寬作業情況下初穩性高度衡準數GM1/GMZ-1與最大橫傾角的變化。

表3 不同船寬下的初穩性高度衡準數與橫傾角

表4 30 m吊距、不同船寬下的初穩性高度衡準數與橫傾角

4 方案確定

通過分析上述方案數據可以得出，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，通過計算，當吊重減小到16 t時，船舶動傾角仍不能達到實際的工作要求，并且不能滿足實際營運的要求。第3種方案，隨著船寬的增加，其動橫傾角計算值減小明顯。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。對比表中數據可以得出，在船寬增加6 m時已經達到實際的工作要求，而船寬增加7 m較6 m沒有顯著的提高。經過分析對比，最終確定加寬6 m并增設舭龍骨的方案為改造方案。

表5 不同船寬下的初穩性高、自搖周期與動橫傾角

對比改造之前的數據，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 結語

實船目前已經完成了改造工作，經測量各項參數均與計算數值相符。改造后的方案大大提高了船舶的動穩性，滿足了船舶安全操作的要求，改善了工人的工作環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，本文首先在對動穩性計算理論分析的基礎上，得出了在動力作用下計算動橫傾角的方法；其次針對某實船開展了計算及改建方案的分析，通過對實船進行現場勘驗、傾斜試驗及最大吊距并起吊不同荷重時船舶橫傾試驗，對計算中的關鍵參數進行驗證，最終確定采用增加船寬的方案。根據計算及試驗驗證，此方案獲得了滿意的改造效果，相關分析對該類船舶的設計和改建工作也具有指導意義。

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

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

[3] 劉家新.工程船舶作業力矩作用下的橫搖運動[J].武漢交通科技大學學報,1995,6(2):180-188.

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

[5] 王學亮.大型起重船在海浪中的運動響應研究[D].天津:天津大學,2002.

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

2016-05-24

朱國鋒(1975—)，男，高級工程師，主要從事船舶檢驗工作及相關技術研究。

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