43 m內河新型高速水政執法艇設計

王世杰

(江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

為有效打擊水上違法犯罪活動、及時處理水上突發事件等，近年來我國執法部門越來越重視加強執法隊伍建設，不斷提高執法能力[1]。公務執法艇作為水上執法的重要裝備，其大型化、快速化、多功能化設計研究符合我國內河公務執法艇的需求發展趨勢。目前，我國水政執法艇的尺度普遍相對較小，速度相對較低，執法功能相對單一化[2-3]，其功能與管理要求不相適應，因此研發移動綜合管理平臺勢在必行。

為滿足水上執法任務的需要，通常要求公務執法艇具有較高的快速機動性，因而對內河公務執法艇的技術水平、數量、噸位都提出了更高的要求。國內使用較多的排水量型高速執法艇具有尺度大、甲板面積較大且功能艙室齊全、穩性更好、執法裝備多等優點，但其設計難點是投入經費限定且需要保證實現全部功能。控制空船重量和振動噪聲與經費限定是矛盾體，需要找到平衡點。為此，本文以具有多功能、一體化的綜合管理移動平臺——43 m內河新型高速水政執法艇為研究對象，闡述了該艇的總體設計理念和外觀設計思路，詳細分析了該艇的主要參數、總體布置和主要功能艙室，以及該艇的結構材料選擇，研究了空船重量和振動噪聲的控制措施，以確保滿足各種復雜環境下禁采江砂、水上執法、水下測量等多重任務的需要。

1 設計思想

(1)充分體現“以人為本”的設計理念，船型布局合理，外形簡潔大方，線型流暢美觀；船舶駕駛視線良好，有利于駕駛人員在擁擠繁忙的航道上安全操作；內部艙室寬敞舒適明亮，以改善執法人員的工作環境，提高工作效率。

(2)采用雙機、雙槳、雙舵推進方式，具備良好的操縱性能，確保船舶在彎曲、擁擠的航道中操縱靈活；燈光、聲號等信號系統可靠、響亮，提高船舶在執法過程中超越和交匯避讓時的安全性能。

(3)具有一定的快速性能，以利于執法過程中追越肇事船舶。這種快速性是建立在既滿足行政執法的需要，又兼顧日常使用的經濟性，還要考慮到減少其航行波對其他船舶航行安全的影響。

(4)主要機電設備以選擇技術性能優良為前提。主輔機等核心設備選擇體積小、振動噪聲低的設備，以提高船舶整體技術性能和有效航行時間，延長船舶整體使用壽命，同時減少故障發生的機率。

(5)舾裝設備做工精細，造型小巧而且重量輕，與船舶整體協調；門窗風雨密性好，開啟順暢，關閉嚴實，不會因船體振動而產生噪聲。

(6)內裝材料的選擇：第一要防火防潮，提高其航行中的安全性和耐久性；第二是輕質，可有效地減輕空船重量；第三是隔音、保溫，提高工作艙室的舒適性；第四是美觀，艙室達到良好的視覺效果。

(7)配備必要的現代化辦公、通訊設施及音響、影像系統，以滿足電子政務信息、現場取證等工作的需要，提高工作效率。

(8)為提高船舶的技術性能，船體結構材料采用鋼鋁混合材料，以降低船舶本身的重心高度，減輕重量，從而節約主機功率。

2 主要參數和總體布置

2.1 主要參數

43 m內河新型高速水政執法艇尺度大、甲板面積較大且功能艙室齊全、執法裝備多，空船重量較重，航速較快，屬于排水量型高速執法艇，主要執行長江航道水下地形測量、水質檢驗、水上行政執法、防汛指揮、會務接待等任務。該船主要參數如下：

(1)最大船長43.0 m，型寬7.2 m，型深2.60 m，設計吃水1.45 m，排水量～165 t，航速≥35.0 km/h，乘員58人，航區A級。

(2)主機功率895 kW，轉速1 900 r/min，2臺。

2.2 主要功能艙室

主要功能艙室由底艙和主甲板以上兩層半艙室組成。底艙設有船員艙。主甲板以上一層設有會議室、大廳、餐廳和配餐間；主甲板以上二層設有工作室和玄關；主甲板以上二層半設有駕駛室。

2.3 外觀設計思路

43 m排水量型高速執法艇功能艙室面積相對較大，上層建筑較豐滿，因而在外形設計時盡量體現船舶的速度感，將艏部舷墻與艉翼部分采用流線型線條加以連接，象征著展翅高飛的文化寓意。

上層建筑為二層半結構形式，駕駛區域采用半升高布置方式，在增加外形層次感的同時較好地改善駕駛視線，減小駕駛盲區；減小上層建筑在水線以上的高度，使得整個外形流暢、協調，利于降低上層建筑的重心高度和減小受風面積，進一步提高船舶安全性能。

在不增加現有船寬和上層建筑總高的前提下，盡可能地有效增加主要功能艙室的層高和寬度，滿足執法功能和會務接待需求的同時改善內部使用空間的舒適性，充分體現“以人為本”的設計理念。

3 結構材料的選擇

3.1 結構材料的選擇

大型、中低速的船舶結構材料一般采用鋼材，包括船舶主體和上層建筑。中、小型高速船艇的結構用材主要有鋼材、鋁合金、玻璃鋼、鈦合金和碳纖維[4]等材料，其屬性及價格對比見表1。玻璃鋼由于易老化且屬于不可回收再利用的非環保型材料，近年來逐步被淘汰，新造小型高速艇基本上會采用全鋁合金結構。碳纖維強度好、重量輕，但價格成本較高[5-6]。各種材料的綜合性能比較排序見表2。

表2 各種材料綜合性能比較

綜上分析，本艇采用鋼鋁混合的結構型式：主艇體結構采用CCSB船用鋼材；上層建筑采用鋁合金帶筋板結構；鋼質主船體與鋁質上層建筑的連接采用過渡材料形成鋼-鈦-鋁的過渡焊接接頭。該混合結構具有以下優點：

(1)可以保證整船具有足夠的強度、剛度和結構穩定性。

(2)能降低重心高度,改善船舶的穩性，而且在相同的主機功率時有利于提高航行速度。

(3)具有較好的耐腐蝕性，在使用過程中可以減少保養費用。

(4)造價適中，是目前公務艇的理想結構材料組合。

3.2 鋁合金帶筋板材料特點

(1)采用的鋁合金帶筋板是用擠壓工藝制成的含有型材的鋁合金板。本艇選用的鋁合金材料牌號為6082-T6，屈服強度為240 MPa，其強度可以與船用普通鋼材等同。

(2)上層建筑采用鋁合金帶筋板大大減少了扶強材與板材之間的焊接量，且外形更加美觀平整。

(3)帶筋板之間的拼接焊采用攪拌摩擦焊，可避免過燒和焊接變形的問題。

(4)近年來，鋁合金帶筋板的制造工藝發展純熟，制造成本減少，市場保有量增多，價格幾乎接近船用鋁合金平板的價格。這樣使得原本造價預算并不充裕的船艇也可以選擇使用鋁合金帶筋板[6]。

4 空船重量控制措施

由于功能艙室面積較大，因而船舶主尺度相對較大，空船重量較大，所以在合理功率范圍內要達到設計航速指標，控制空船重量顯得尤為重要[7]。在船舶造價預算允許前提下，從以下幾方面優化設計：

4.1 選用輕型船體結構材料

鋁合金密度為2.68 g/cm3，船用鋼材密度為7.86 g/cm3。上層建筑采用鋁合金帶筋板結構，比使用鋼材可以減輕約64%的重量。

4.2 控制裝修重量

裝修材料從骨架、輔材、面材在滿足防火、保溫、防潮、環保的基礎上，盡量選用輕型材料。具體要求如下：

(1)內部裝修骨架選用鋁合金龍骨，配餐間、衛生間均采用輕型甲板敷料。

(2)防火分隔絕緣材料選用摩根防火棉。

(3)機艙地板選用花紋鋁板，底艙的船員艙地板采用鋁合金板上鋪橡膠地板。

(4)除窗框和門框采用必要的實木之外，大部分圍壁和天花板面材均選用10 mm厚鋁蜂窩板，采用干掛安裝，重量輕、使用壽命長且環保。

4.3 機電設備和甲板機械及舾裝件選型

(1)主機、發電機組、齒輪箱選用壽命長、維修率低且體積小、重量輕的品牌。

(2)駕控臺采用鋁合金結構材料，和上層建筑一體制作，再進行外部裝修。

5 振動噪聲控制措施

本艇在艙室的隔音、隔熱及減振降噪方面，采取主動隔振和被動隔振相結合的措施[8]。

5.1 主動隔振措施

主動隔振是從源頭控制振動并降低噪聲。船舶推進系統包含2個主要振源：主機和螺旋槳。

常規艇動力系統的布置形式是主機與齒輪箱獨立安裝，發動機與齒輪箱之間的聯軸器采用位移補償能力大的高彈聯軸器。主機用隔震墊支撐，齒輪箱剛性安裝。這種傳統的隔振方式實踐證明：對于超過1 500 r/min的高速柴油機效果不明顯，還會帶來主機怠速時搖晃厲害的問題。

本艇主機與齒輪箱罩殼連接，主機組整體由4個高彈隔振墊彈性固定在機座上，通過推力軸承+補償聯軸器與艉軸相連。這種推力軸承+補償聯軸器+隔振器的軸系柔性傳動設計，可有效地解決常規高彈聯軸器無法承受推力、普通隔振器不能承受較大的軸向力的缺陷，從源頭降低了振動噪聲。

5.2 被動隔振措施

(1)在布置方面：空間分隔合理，將重要的功能艙室盡量遠離機艙，做到物理隔斷噪聲源。

(2)在裝修方面：內部功能艙室及機艙四周內襯輔材及面材均選用可隔音材料。

(3)在結構方面：機艙結構、艉尖艙螺旋槳上方結構尺寸在滿足強度計算要求基礎上適當加強，使振動源附近的結構具有足夠的剛度，利于振動衰減。

(4)在門窗選型方面：外圍壁均采用玻璃幕墻，與圍壁結構采用膠黏安裝；外圍壁門均選用鋁合金風雨密空腹門，隔音又美觀。

(5)振源附近敷設阻尼涂料，使振動衰減加快，達到減振、降噪效果。

(6)采用適當的槳葉葉梢安裝間隙及艉部流線形狀，以減少螺旋槳處水流在艉部引起的振動。

6 結論

(1)43 m排水量型高速執法艇船型布局合理，外形簡潔大方，線型流暢美觀，且配備必要的現代化辦公、通訊設施及音響、影像系統，以滿足執行時電子政務信息、現場取證等工作的需要，提高執法人員工作效率。

(2)實船試航結果表明：該艇操縱性能優良，具備一定的快速性能，滿足了行政執法的需要。會議室、工作室、駕駛室實測噪聲指標均小于55 dB，實測航速達到并略超過設計航速指標。