非自航船錨泊設備選型設計

崔宏林，王金鑫

(1.中國人民解放軍92941 部隊，遼寧 葫蘆島125000;2.渤海船舶職業學院 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行的定位錨泊操作。錨泊設備主要由錨、錨鏈、錨鏈筒、錨架、掣鏈器、導纜滾輪、導索器、起錨機、錨鏈管、錨鏈艙和棄錨器等部分組成［1］。錨機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，船上錨機應具有起錨的拉力，拉力大小至關重要，拉力過小，無法達到起錨的目的;拉力過大，不僅不經濟，而且易導致錨鏈拉斷等損失［2］。因此，必須進行安全合理、經濟可行的錨泊設備選型設計。

1 設計依據

1.1 船體結構

該船為無槳非自航船，使用時采用拖輪拖帶航行;船體為鋼質雙體船，主要由2個片體及平臺連接橋組成;片體的首尾端流線型設計。

1.2 主要尺度

船體尺寸:長L，m，寬B，m;片體尺寸:寬w，m，高h，m;片體數:2;設計吃水d，m;排水量Δ，t。

1.3 設計要求

采用臥式錨機和配套發電機組;10 級風不破壞、不傾覆;4 級海況下正常操作。

2 船舶錨泊作業工況

根據使用需求，作業環境為水深50 m 以內，6級海況下“首向迎浪”錨泊定位可靠(即不走錨)，4 級海況下正常起錨，具體作業工況如下:

工況1 拖船全程配合，協助該船起錨;

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，實際應用中出現概率偏低。

3 船舶錨系計算

3.1 按CCS 《鋼質海船入級規范》進行錨配置

錨泊設備按CCS《鋼質海船入級規范》選取時，其基礎為水流速度2.5 m/s (5 kn)，風速25 m/s，相應拋出的錨鏈長度與水深之比為4～8的范圍內，而且假定在正常情況下錨泊時僅用1 只首錨［3］。所配置的錨泊設備能使船舶在良好的錨地底質上系留而防止走錨。

可見，按CCS 《鋼質海船入級規范》計算選取錨時，其假定海況大約在8 級，可以滿足6 級海況的使用需求。

舾裝數N 按下式計算:

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為船長范圍內水線以上部分和上層建筑以及寬度大于B/4的甲板室的側投影面積總和，m2［1］。

實船數據代入式(1)計算，N≈123。

經查《鋼質海船入級規范》舾裝數與錨泊和系泊設備對應表，舾裝數介于110～150 之間，需配置如下錨泊設備:

錨1 支，重量400 kg，錨鏈長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核

特殊工況為6 級海況下拋錨，拖船與該船并行拖帶短時停車。

1)風力計算

風力作用在船舶水線以上部分，計算公式如下:

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

計算時，風速按8 級風(25 m/s)計算，形狀系數取1.2，代入式(2)計算結果為:

2)海流力計算

海流力作用在船舶水線以下部分，計算公式如下:

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

計算時，流速取1.5 m/s，方形系數取0.98，代入式(3)～式(5)計算結果為:

3)錨鏈強度的校核及錨鏈直徑的確定

根據風力和流力計算，該船及拖船共受6.5 t的水平力，此時假設該船與拖船靜止，則錨鏈受力示意圖如圖1所示［5］。

圖1 錨鏈受力示意圖Fig.1 The forcing diagram of anchor chain

錨鏈張力的水平分量與風、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 對應不同T 值。一般情況下，錨鏈與海底夾角大于70°時，錨鏈張力即大于錨破土力。按最嚴重情況估算，在錨破土前錨鏈與船受力平衡的情況下，錨鏈將受到120 t的實際載荷，考慮1.5 倍安全系數，應選擇試驗拉力達到180 t的錨鏈，綜合AM2 級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］。

計算結論如下:6 級海況下，拖船和該船并拖時，將受到約6.5 t的風力和流力，按此種工況對錨鏈進行校核，錨鏈直徑需加大，兼顧安全性和經濟性，建議錨鏈選取Φ24 (AM2)。

3.3 Φ24 錨鏈對應錨機拉力及功率的計算

根據《鋼質海船入級規范》要求，Φ24 錨機需具備如下能力:正常工作負荷2.7 t，正常工作負荷下連續工作時間30 min，過載工作負荷4 t，過載工作負荷下連續工作時間2 min［7］。

錨機功率P 可通過下式估算:

計算后P=8 kW，經咨詢錨機廠家，建議錨機功率選取8.5 kW 左右。

3.4 三種起錨工況下的錨機功率及發電機功率校核

按照4 級海況下拖船協助該船收錨、該船自行收錨、該船拖帶拖船自行收錨3 種工況進行錨機功率和發電機功率校核。

3.4.1 第1 種工況計算

1)錨機自行拔錨的破土力計算

錨機自行破土時，錨機實際負荷由瞬時破土力(按錨的最大抓力算)、錨和錨鏈自重3 部分組成。經上述計算，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)，共計約為3.3 t～4 t，在8.5 kW 錨機短時負荷(4 t)之內。

2)發電機功率計算

按CCS 《鋼質海船入級規范》關于發電機組“發電機應有足夠的儲備容量，以保證最大的電動機啟動負荷要求”的要求，根據錨機廠家提供的錨機電機數據如下:8.5 kW/3.5 kW 交流電機(380 V)，工作電流17.9 A，啟動電流72 A，可計算出發電機輸出功率為38 kW。

結論:此種工況下，拖船拖帶該船前行，然后聯合破土，錨機最大負荷為破土力，最大破土力在4 t 以下，可選擇8.5 kW 錨機，發電機功率40 kW。

3.4.2 第2 種工況計算

風力作用在船舶水線以上部分，按照式(2)計算結果為0.31 t;

海流力作用在船舶水線以下部分，按照式(3)計算結果為0.09 t;

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

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

結論:此種工況下，錨機拖帶該船前行，然后破土，風、流力造成的錨機負荷共計約2.3 t，錨破土力在4 t 以下，仍可選擇8.5 kW 錨機，發電機功率40 kW。

3.4.3 第3 種工況計算

風力作用在船舶水線以上部分，按照式(2)計算結果約0.9 t;

海流力作用在船舶水線以下部分，按照式(3)計算結果約0.5 t;

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

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

結論:此種工況下，錨機拖帶該船與拖船聯合體前行。靠錨機拖動該船和拖船共同體前行時，在錨鏈與海底夾角小于60°時，8.5 kW 錨機可以滿足前行負荷要求;在錨鏈與海底夾角大于70°時，錨鏈張力大于錨破土力，錨破土。故選擇8.5 kW 錨機，發電機功率40 kW，基本滿足本工況要求。

4 結 語

依據使用需求及船舶結構尺寸進行了錨泊設備選型設計。經過計算校核，Φ17.5 mm (AM2)錨鏈及40 kW 發電機即可滿足本船使用，為了加強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 錨機及50 kW 發電機組。

應用本設計結果配置的非自航船經海上實操使用，錨泊設備運行安全穩定，拋錨、收錨效果良好，工作效率高、經濟效益顯著。

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

［2］Γ.Л.考夫契可夫，嚴景中.錨機最佳參數的確定［J］.機電設備，1976(1):60－63.

［3］鋼質海船入級規范(2009)［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［4］陳廣蓮.確定錨泊設備的直接計算法［J］.船舶設計通訊，2004(1):43－45.

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

［6］江蘇科技大學船海學院.3000 噸級散貨船舾裝計算書［EB/OL］.http://www.docin.com/p－625724159.html.

［7］金永興，伍生春.船舶結構與設備［M］.北京:人民交通出版社，2004.