一種全回轉(zhuǎn)拖船艏部拖曳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉林偉，陸 波

(1.江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團(tuán))有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212005；2.天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612)

?

一種全回轉(zhuǎn)拖船艏部拖曳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉林偉1，陸 波2

(1.江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團(tuán))有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212005；2.天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612)

通過對拖曳裝置設(shè)在艏部的防磨纜橋、纜樁和錨絞機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研發(fā)一種艏部具有拖曳裝置的全回轉(zhuǎn)拖船，在完全不影響頂推作業(yè)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了全回轉(zhuǎn)拖船的倒拖功能，增強(qiáng)了拖船的作業(yè)功能和靈活性能。

全回轉(zhuǎn)拖船；艏部；倒拖；拖曳裝置

0 引言

全回轉(zhuǎn)拖船作為港口作業(yè)的重要機(jī)械之一，主要應(yīng)用于港口作業(yè)的拖帶、救助、打撈、供給、協(xié)助船舶進(jìn)出港以及靠離泊位、護(hù)航等領(lǐng)域，滿足港口的復(fù)合型功能需要。船上的拖曳設(shè)備一般指拖鉤和拖纜機(jī)，設(shè)置在船長中后方5%～10% 船長處，用于船舶的正拖。而當(dāng)船舶駛離碼頭的時(shí)候，需要在艏部安裝拖曳裝置，使拖船的船艏面對作業(yè)對象倒車行駛，拖船進(jìn)行倒拖作業(yè)。結(jié)合此需要，設(shè)計(jì)開發(fā)“艏部具有拖曳裝置的全回轉(zhuǎn)拖船”勢在必行。

1 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

(1)艏部具有拖曳裝置的全回轉(zhuǎn)拖船，包括防磨纜橋、纜樁和錨絞機(jī)。防磨纜橋、纜樁和錨絞機(jī)位于同一中心軸，且順次縱向排列在船艏部主甲板中心線上。防磨纜橋設(shè)在船艏部前緣，纜樁位于錨絞機(jī)和防磨纜橋之間。纜樁上裝設(shè)導(dǎo)纜孔，導(dǎo)纜孔的中心與錨絞機(jī)主滾筒的中間層位于同一水平面；纜樁與錨絞機(jī)之間的距離小于纜樁與防磨纜橋之間的距離。纜樁為雙柱纜樁，包括2個(gè)垂向管材和2個(gè)垂向管材之間的橫向管材。導(dǎo)纜孔裝設(shè)在橫向管材上，2個(gè)垂向管材作為支撐部支撐橫向管材以及導(dǎo)纜孔。為了提高導(dǎo)纜孔的抗磨性，所述導(dǎo)纜孔內(nèi)表面包覆不銹鋼層。

(2)本項(xiàng)目主推進(jìn)系統(tǒng)裝機(jī)功率≥2 940 kW。

(3)在船體線形研發(fā)時(shí)充分考慮了全回轉(zhuǎn)拖船距離港口一定距離，在天氣惡劣、風(fēng)浪較大的環(huán)境下仍然要進(jìn)行頂推作業(yè)的特殊需求，避免與被頂推船舶發(fā)生剛性碰撞。采用了螺旋槳與轉(zhuǎn)向舵合二為一的推進(jìn)裝置，螺旋槳及高效導(dǎo)管環(huán)繞垂直軸360°轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠使船舶的推進(jìn)系統(tǒng)在任意方向都能發(fā)揮出100%的推力。該推進(jìn)裝置提高了船舶的操縱性能和作業(yè)的效率，避免了常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)采用舵回轉(zhuǎn)消耗較大功率的現(xiàn)象。

(4)利用現(xiàn)場總線連接智能船舶配套設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸?shù)亩喾种ㄓ嵕W(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對主機(jī)監(jiān)控、電站自動(dòng)化、對各系統(tǒng)的泵和閥自動(dòng)控制以及該液位的遙測等。

(5)設(shè)計(jì)提高了拖船自動(dòng)化水平，增強(qiáng)了營運(yùn)的安全性，實(shí)現(xiàn)了向高效、節(jié)能、舒適方向的轉(zhuǎn)型升級(jí)目標(biāo)。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

(1)船舶滿足中國船級(jí)社等規(guī)范。

(2)船舶總長33～38 m，型寬8.8～12 m，型深4.0～5.5 m。

(3)主推進(jìn)系統(tǒng)總功率≥2 940 kW。

(4)系柱拖力(在主機(jī)100%持續(xù)功率時(shí))：正拖力≥500 kN、倒拖力≥450 kN。

(5)自由航速≥13 kn。

(6)續(xù)航力：1 000 n mile。

3 技術(shù)要點(diǎn)

原全回轉(zhuǎn)拖船在艏部設(shè)有應(yīng)急纜樁，僅在艉部設(shè)有拖鉤或拖纜機(jī)用于拖帶作業(yè)。這種配置方法使得用于港內(nèi)作業(yè)的船舶的效益無法全部發(fā)揮。大型船舶的靠泊主要利用拖船的倒車和貼在舷邊倒車相結(jié)合的方法，吃水超過11 m的船舶進(jìn)出港都需要拖船的護(hù)航。為了充分發(fā)揮拖船的作用，設(shè)計(jì)研發(fā)了艏部設(shè)置拖曳裝置的全回轉(zhuǎn)拖船。艏部拖曳裝置布置圖如圖1所示。

在船艏部設(shè)置拖曳裝置實(shí)現(xiàn)全回轉(zhuǎn)拖船的倒拖功能。將纜樁導(dǎo)纜孔的中心與錨絞機(jī)主滾筒的中間層設(shè)置在同一水平面上(見圖1側(cè)視圖)，限制了纜繩的出纜角度，減少了纜繩穿過導(dǎo)纜孔的摩擦，保護(hù)了錨絞機(jī)主滾筒兩側(cè)擋板。將纜樁與防磨纜橋之間的距離(見圖1a)中L)設(shè)置為盡可能大，使得全回轉(zhuǎn)拖船在進(jìn)行頂推作業(yè)時(shí)，纜樁不會(huì)刮傷到對方船殼外板；拖纜穿過導(dǎo)纜孔繼續(xù)延伸到防磨纜橋，延伸段的拖纜不會(huì)與艏部的任何結(jié)構(gòu)相接觸，減少了纜繩的磨損。雙柱纜樁垂向管材之間的凈開口尺寸不大于主滾筒的長度，使得拖纜在任何情況下都處于錨絞機(jī)主滾筒長度的范圍內(nèi)，保證了錨絞機(jī)安全收放拖纜。纜樁還起到了系纜的作用，管材超出的部分可以儲(chǔ)存一部分的拖纜。

4 強(qiáng)度校核

根據(jù)中國船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2015)及其修改通報(bào)的有關(guān)規(guī)定，通過有限元軟件，對該錨機(jī)底座強(qiáng)度進(jìn)行了直接計(jì)算，以驗(yàn)證實(shí)際所選取構(gòu)件強(qiáng)度是否滿足強(qiáng)度要求。

本文以單錨機(jī)為例，將主甲板、甲板強(qiáng)橫梁、甲板縱桁、錨機(jī)底座及其強(qiáng)結(jié)構(gòu)劃分為單元面結(jié)構(gòu)，而將面板、甲板橫梁等劃分為梁單元結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵步驟如圖2～圖4所示。

按照中國船級(jí)社規(guī)范要求，系柱拖力BP不小于400 kN時(shí)，驗(yàn)證負(fù)荷為1.0BP+400 kN。根據(jù)錨絞機(jī)的實(shí)際尺寸，建立MPC點(diǎn)，以便更真實(shí)模仿底座的受力情況。

最后將結(jié)果與規(guī)范中的許用應(yīng)力對比即可。

5 拖力試驗(yàn)驗(yàn)證

(1)船舶建造完工交付前需進(jìn)行拖力試驗(yàn)，必須校驗(yàn)整個(gè)拖曳系統(tǒng)的布置及強(qiáng)度是否滿足作業(yè)和規(guī)范要求。

(2)系柱拖力試驗(yàn)時(shí)船舶應(yīng)處于滿載狀態(tài)，正浮或艉傾不超過2%船長。試驗(yàn)時(shí)，船舶在正常航行作業(yè)時(shí)由主機(jī)或推進(jìn)軸驅(qū)動(dòng)的所有輔助設(shè)備，例如泵、發(fā)電機(jī)和其他設(shè)備都應(yīng)連接且正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由船艉到試驗(yàn)系柱拖力設(shè)施的拖纜長度應(yīng)不小于300 m，但拖纜最小長度應(yīng)不小于2倍船長。試驗(yàn)水域周圍半徑100 m范圍內(nèi)的水深應(yīng)不小于20 m，如試驗(yàn)水域水深不能達(dá)到20 m，則可接受最小水深等于2倍船舶最大吃水。需要注意的是，減小水深可能對系柱拖力試驗(yàn)產(chǎn)生不利影響。風(fēng)速應(yīng)不超過5 m/s，水域在任何方向的流速應(yīng)不超過0.5 m/s。做試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)能夠在一個(gè)固定航向上保持不少于10 min。驗(yàn)證船舶的連續(xù)系柱拖力，是取10 min系柱拖力試驗(yàn)的平均讀數(shù)。

(3)系柱拖力試驗(yàn)使用的載荷測量儀應(yīng)經(jīng)有資質(zhì)的公認(rèn)機(jī)構(gòu)認(rèn)可。載荷測量儀的精度控制在所測量載荷范圍的±2%以內(nèi)，并能適合試驗(yàn)所在的環(huán)境條件。記錄系柱拖力的記錄儀與載荷測量儀相連接，將載荷測量儀測量到的數(shù)據(jù)以時(shí)間函數(shù)的形式輸出。驗(yàn)證船舶連續(xù)系柱拖力應(yīng)保持10 min不變，所記錄的拖力沒有任何偏小傾向。倒拖試驗(yàn)后，觀察出纜100 m后艏拖力系統(tǒng)布置是否合理。

6 結(jié)語

隨著港口建設(shè)的加速發(fā)展，停泊船舶噸位級(jí)別也越之不斷提升，這對港口作業(yè)船舶各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)提出了更高的要求。

設(shè)計(jì)艏部具有拖曳裝置的全回轉(zhuǎn)拖船主要用于港域內(nèi)作業(yè)，并滿足對第7代集裝箱船靠離泊位作業(yè)以及消防配置要求。

經(jīng)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該拖船穩(wěn)定性好，抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，具有良好的推拖能力。

[1] 中國船級(jí)社.海上拖航指南[M].北京：人民交通出版社,2011.

[2] 中國船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2016.

[3] 劉林偉.全回轉(zhuǎn)拖船艏部雙錨絞機(jī)的布置方法:ZL 201310578701.9[P].2016-03-02.

[4] 劉林偉.艏部具有雙錨絞機(jī)的全回轉(zhuǎn)拖船:ZL 201310580941.2[P].2016-03-02.

2016-11-15

劉林偉(1983—)，女，工程師，主要從事船舶科研與設(shè)計(jì)工作。

U664.4

A