大型全回轉起重船抗橫傾系統和起重機操作的優化配合

張彩華

摘 ? ?要：大型全回轉起重船一般都需要配置抗橫傾系統。如果起重機的操作沒有和抗橫傾系統進行有效的配合，則在整個全回轉起重作業過程中，船舶仍可能會有橫傾過大的風險。本文主要研究起重機的操作和抗橫傾系統的優化配合，從而保證操作效率和船舶安全。

關鍵詞：全回轉;起重機操作;抗橫傾系統;自動控制;穩性

中圖分類號：U661.4 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： Heavy revolving crane vessels generally need to be equipped with an adequate anti-heeling system. If the operation of the crane is not effectively coordinated with the anti-heeling system， there is still a risk that heel angle for vessel exceeds safety range for all revolving lift operation process. To ensure operational efficiency and vessel safety， optimal coordination for crane operation and anti-heeling system are studied in this paper.

Key words： Revolving; Crane operation; Anti-heeling System; Automatic control; Stability

1 ? ?引言

大型全回轉起重機所吊重物從船尾轉向舷側的過程中，起重機和吊重重心的變化將產生隨時間變化的橫向力矩，從而使船舶產生橫傾。為此，需要配備相應的橫向調載系統，通過反方向調撥壓載水來控制船舶的橫傾[1]。

由于起重機和抗橫傾系統是兩個獨立的系統，在起重作業從開始到結束的過程中，兩者如果不能有效的配合，則不能時刻保證起重機旋轉時的橫傾傾側力矩和抗橫傾系統的抗橫傾力矩相等，船舶仍然可能在起重過程中產生較大的橫傾，影響船舶安全。因此有必要研究起重船在起重過程中，起重機如何與抗橫傾系統相互配合操作來高效率的完成全回轉起重作業，同時確保船舶在整個過程中橫傾都處于安全范圍之內。

2 ? ?大型起重船起重回轉操作的現狀及存在問題

目前的抗橫傾泵都不能調速，只有開啟和關閉兩種狀態。抗橫傾系統一般有三種控制模式：手動模式（手動開啟和關閉泵組）;半自動模式（手動開啟泵組，根據傾斜儀感測船舶橫傾的閾值及高低液位，自動關閉泵組）;自動模式（根據傾斜儀感測船舶橫傾的閾值及高低液位，確定泵組的啟停）。

起重機的操作可以實現無級變速，對于大型起重船全回轉工況而言，起重機操作速度過快可能導致橫傾超過安全范圍;起重機操作速度過慢，則不但影響工作效率，而且在自動模式下可能引起泵組頻繁啟停，影響抗橫傾泵的使用壽命。

為保證船舶安全，對于大型起重船全回轉工況，以往的常規操作都是只使用泵組中的少部分泵，使起重機相應減速，當觀察到橫傾較大時進行校正操作，如此反復直至完成起吊過程。

這種常規做法雖然可以保證船舶的安全，但抗橫傾泵組啟停頻繁影響設備的使用壽命，并且完成一個起重過程的時間很長，沒有充分利用設備本身的能力。

理想的操作模式是：起重機從船尾向左舷開始起吊轉動時，抗橫傾泵組全部開啟;當抗橫傾泵組打到要求的水量后，抗橫傾泵組全部關閉。在這一過程中，通過調整起重機的轉速，保證船舶橫傾控制在安全范圍內，并且抗橫傾泵組只開啟關閉一次，使抗橫傾系統的控制較為簡單，減少抗橫傾系統的造價，同時也延長設備的使用壽命。

本文以煙臺打撈局5 000 t起重鋪管船為目標船型，以本船最大全回轉起重工況為例，研究上述理想操作模式并給出具體的操作步驟。

4 ? ?最大允許橫傾角和對應的函數最大允許值

基于《2011國內航行海船法定檢驗技術規則》的要求，本船全回轉工況允許的橫傾角不超過5°;基于起重機廠商設計的要求，允許的橫傾角為3.5°。引起船舶橫傾的除了起吊荷重傾側力矩和壓載水調載的抗橫傾力矩之外，還包括風壓傾側力矩。本船風壓傾側力矩引起的橫傾角約1°，因此起吊荷重傾側力矩和壓載水調載的抗橫傾力矩允許的橫傾角為2.5°。

根據公式（7），本船最大全回轉起重工況（橫傾角取為2.5°）對應的函數最大允許值y（t）=0.078。

由公式（6）可知：對應函數最大允許值與排水量、初穩性高度、最大允許橫傾角成正比;與全回轉起重機起吊荷重橫向最大傾側力矩成反比關系。因此對于大型全回轉起重船，可以參考此點選擇主尺度，以滿足船舶穩性要求和保證起重機操作的可行性。

5 ? ?起重機操作模式

以下所有操作模式都假定起重機開始從尾部旋轉時抗橫傾泵開啟，達到最大傾側力矩時間tc后抗橫傾泵關閉。

起重機每一個步驟的操作，可以用旋轉圓頻率w和初始相位角θ以及對應運行時間t表示，確定以上參數即可以完整表達起重機的操作步驟。

通過對函數求導可以得出對應函數極值，通過比較函數極值與最大允許值可以判斷船舶橫傾是否在規定范圍內，即可判斷對應操作模式是否可行。

5.4 ? 操作模式總結

上述起重機從船尾旋轉到一舷的過程中，抗橫傾泵組只開啟關閉一次，對于泵組的操作要求極為簡單，極大地降低了抗橫傾系統的造價，也增加了抗橫傾系統的使用壽命。

由于采用了去量綱化的函數，所以函數極值與起重機的能力和抗橫傾泵流量等參數都沒有關系，對不同的全回轉起重船的典型起重工況，只需要根據規范和起重機能力選取船舶最大允許橫傾角即可根據公式（6）算出函數最大允許值，然后選用函數極值小于函數最大允許值的模式進行起重機操作，即可滿足船舶安全要求。

對于本船而言，即使是最大全回轉起重工況（主鉤幅度45 m、起吊3 500 t貨物），按照起重機操作模式（二）（E）即可以保證船舶的安全;本船起重機最大吊重下旋轉速率為每分鐘0.15轉，即wmax=0.942，而按照模式（三）（D）只需要w=0.161，因此本船起重機轉速屬于超配，可以降低起重機旋轉速度從而降低起重機的價格。

6 ? ?起重機操作自動控制

本文所述計算方法可以在軟件中直接編程實現：首先將本文所介紹的計算方法編入裝載儀，起重機自身的重量和重心可以在裝載儀中自動求出;手動輸入起吊貨物重量和主鉤幅度，可以自動求出對應裝載工況的排水量、初穩性高和起吊荷重橫向最大傾側力矩;直接在裝載儀中選擇本次作業擬開啟的泵或泵組，可以自動求出抗橫傾泵總流速和調撥的壓載水橫向移動距離;設定最大允許橫傾角后，可以自動求出對應的函數最大允許值;選擇在安全范圍內的操作模式后，可以直接輸出起重機操作步驟（轉速、操作時間、旋轉角度）;信號反饋至起重機操縱室，按照步驟操作即可。

7 ? ? 對起重船操作穩性要求的補充

（1）ABS《近海供應船建造和入級規則》第5篇第9章附錄1[3]，對起重船的穩性范圍和失鉤后的穩性做了要求;

（2）中華人民共和國海事局《2011國內航行海船法定檢驗技術規則》第4篇對旋轉式起重船的穩性做了要求，其中對傾側力矩是合并考慮起重船承受的風壓傾側力矩、起重機起吊荷重傾側力矩以及船舶不對稱裝載傾側力矩（抗橫傾力矩）。只要設置了足夠容量的抗橫傾水艙，則穩性計算中起吊荷重傾側力矩和抗橫傾力矩合值為零。使用NAPA軟件[4]，計算得出本船的穩性衡準數為16.7>1，滿足規范要求;最小初穩性高度為4.85 m>0.7 m，滿足規范要求。

本文考慮實船全回轉起重操作過程中，起吊荷重傾側力矩和抗橫傾系統傾側力矩在動態配合過程中引起的橫傾角，實際上是對起吊荷重傾側力矩和抗橫傾力矩合值為零進行修正，可認為是對起重船穩性衡準的有益補充。因為通過對操作模式的探討表明，即使是按照操作模式（三）（D）進行操作，起吊荷重傾側力矩和抗橫傾力矩合值仍然是起吊荷重傾側力矩的0.021倍。因此在設計大型全回轉起重船時，即使配置了足夠容量的抗橫傾水艙，也應考慮在起重船承受的風壓傾側力矩、起重機起吊荷重傾側力矩以及船舶不對稱裝載傾側力矩之外，還需要增加一個力矩，這個力矩可以表達為最大起吊荷重傾側力矩與系數的乘積，該系數如取0.03，則計算得出穩性衡準數為5.6>1，滿足規范要求;最小初穩性高度為4.85 m>2.0 m，滿足規范要求。

8 ? ?結語

本文以5 000 t起重鋪管船為例，系統分析了大型全回轉起重船抗橫傾系統和起重機的操作配合問題。討論了如何給出船舶橫傾的安全范圍，建立了回轉起重作業過程中引起船舶橫傾的數學模型，最終推導出合適的回轉起重操作模式。通過操作模式分析，給出了起重機最大吊重時的合適的旋轉速度，為購買起重機的參數選擇提供了依據，可以防止起重機超配而造成浪費。本文的操作模式可以有效減少抗橫傾泵的啟停次數，延長設備使用壽命。

本文對抗橫傾系統和起重機的操作配合的探討，是對起重船穩性衡準的有益補充，可以進一步保障船舶安全。

參考文獻

[1] 陳雷，李含蘋. 超大型起重船壓載調載系統研究設計[J]. 船舶，? ? ?2010（1）.

[2] 中華人民共和國海事局. 船舶與海上設施法定檢驗規則-國內航行海? ? ?船法定檢驗技術規則2011[M]. 人民交通出版社，2011.

[3] ?American Bureau of Shipping. Rules for Building and Classing Offshore?? ? ? Support Vessels 2018[S]. 2018.

[4] ?NAPA Ltd. NAPA for Design Manuals for Release 2014.3[S]. 2014.