200m₃自航四開體石駁的總體設計

2019-05-19 14:24:18杜小明

珠江水運 2019年5期

杜小明

摘要：介紹長江上游200m3自航四開體石駁的總體設計方案內容，著重對主尺度、布置方案、開體方式、結構形式、主要設備的選取等作了分析和研究。

關鍵詞：石駁主尺度四開體船舶設計

1.引言

因金沙江向家壩等工程蓄水，下泄清水挾沙能力增強，加快了長江宜賓合江門至重慶新港河段河槽沖刷，“上沖下淤”，維護疏浚量由40萬方增加至70萬方以上。該河段為卵石河床，航道彎、窄，主要采用抓斗挖泥船配套石駁進行維護疏浚施工。

本文介紹200m3自航開體石駁設計方案，并著重對船舶的主尺度、布置方案、開體方式、結構形式、主要設備的選取原則和方法等作分析和研究。

2.主尺度的確定

主尺度選取時，主要考慮作業需求，結合航道等自然條件限制，對不同尺度的快速性、經濟性、操縱性等進行比選確定。

2.1總長LOA

總長的選取首先要考慮船舶的總布置及石艙容積要求，以及操縱性、快速性以及經濟性等多因素。

首先以總體布置看，為滿足居住艙室的需要，及石艙容積要求，本船總長≮43.8m。

其次從操縱性方面看，因本船作業航道復雜多變，增加船長會加大轉彎調頭難度。其航行河段最小航道維護尺度為2.9m×50m×560m（航深×航寬×彎曲半徑）。根據經驗，為確保大流速情況下狹窄航道處調頭的安全，本船總長不宜超過46m

再就快速性角度而言，本船設計航速約為19km/h，其傅氏數約為0.25，此時隨著船長的增加，長度（L）排水量（Δ）系數（L/Δ1/3）會加大，剩余阻力因傅氏數減少和船體變得瘦長而減少，雖然摩擦阻力因濕表面積增加而增大，但因為此時剩余阻力所占比例較大，因而總阻力會隨著船長增加而減少。

而從經濟性方面看，船長增加會略微增加船體鋼料（本船船長每增加2m，約增加鋼料10t），但可降低主機功率，主機會便宜些，后期的運營及維護成本也低很多，更符合當今節能環保型社會要求。

因此，在條件允許時，適當增加船長是有利的。

在初步設計階段，可用巴氏裘寧公式估算船長與航速和排水量之間在阻力性能上的最佳配合值：

v—航速，10.26kn；Δ—型排水體積，825m3

綜合上述因素，本船總長初定為46m。

2.2吃水d

吃水的選取主要受航道限制。本船服務水域維護水深2.9m，兼顧考慮配合抓斗式挖泥船進行應急搶險作業的要求，本船設計吃水定為2.4m。

2.3型深D

型深應能滿足艙容、艙底布置、干舷以及穩性等要求。增加型深對穩性有利，還可以增加石艙容積。經核算，本船干舷0.45m時穩性可滿足法規的要求。據此，本船型深定為2.85m。

2.4船寬B

船寬的選取要考慮本船的總布置及石艙容積要求，且還應考慮快速性、穩性以及經濟性等因素。船寬太小會對船舶的穩性和艙室布置不利，但船寬太大可能會使初穩性高過大，導致橫搖加劇。

從總布置及石艙容積要求來看，本船船寬應不小于8.5m。船寬初定為8.6--9.0m，此時L/B（船長/型寬）約4.89—5.35、B/d（型寬/型深）約3.58—3.75，均在一個合理的范圍內。

2.5作業艙容

本船為4 m3抓斗挖泥船配套船舶，根據配套的需求石駁艙容應不低于200 m3。根據船長和總布置的初步分析和布置，本船石艙長度不小于20m，對石艙的橫剖面進行初步設計，以確保石艙橫剖面積不低于10m2，總的石艙艙容不低于200 m3。

3.船舶線型

本船寬度（B）吃水（d）比B/ d=3.75、方形系數Cb約為0.83，均較大，屬于淺吃水肥大船型。線型設計的難點主要在首尾部線型和平行中體的配合，尤其是首部及尾部線型的合理設計。

一般來講，淺吃水肥大型船的特點是線型豐滿、濕表面積大、傅氏數低，但本船由于受航道限制，船長較小，另外考慮到需要上水沖灘，對航速的要求也比較高，這就造成了本船的傅氏數較大。經計算，本船傅氏數Fn約0.25，遠高于一般淺吃水肥大船型傅氏數Fn=0.1～0.2的范圍，此因素在確定首尾線型時要予以重點考慮。

3.1首部線型

針對本船淺吃水肥大船型的特點，首部線型可考慮采用縱流首、前傾首和直型首等三種型式（如圖1所示）。

本船服務水域航道復雜，部分水域灘多水急，要求船舶必須具有較好的航向穩定性和應舵性，因此縱流首不太適合。而采用直型首可最大限度拉長水線，提升船舶快速性和航向穩定性。本船優先采用直型首。

3.2尾部線型

針對本船淺吃水肥大船型的特點，尾部線型可考慮采用流線型尾、普通雙尾以及帶隧道雙尾。

本船重心較靠后，為增加尾排水量，需把尾縱剖線往下壓，進一步限制了螺旋槳的直徑，尾部增加隧洞可以緩解這一矛盾；且本船屬淺吃水肥大船型，采用雙尾船型是對阻力性能有利的，另由于受吃水限制，增加隧洞可加大螺旋槳直徑，進而提高航速。因此本船最終采用帶閉式隧洞的雙尾船型。

4.開體形式

開體形式主要有四開體式和雙開體形式兩種：

四開體形式：船體首部和尾部為整體，中部石艙區域分為左右兩個片體，開體時只有中部兩個片體對開。采用四開體形式，上層建筑與尾部主體結構形成整體，布置面積較大，布置方式可多樣化，便于船員的生活和工作；且石艙片體與首尾部設兩個以上的鉸鏈連接，開體動作更加穩定和準確，因絞點設置在首尾兩側，對船長并無影響；船舶上塢后，塢躉支撐住首尾片體，可打開中間兩個片體，對石艙段內側外板進行維護。

雙開體形式：由縱向對稱的兩半船體組成，該兩半船體繞分別設置在首尾主甲板之上兩個絞鏈軸進行轉動，首尾液壓缸艙分別設置了一只用于片體啟閉的啟閉液壓缸。采用雙開體形式，船體結構和啟閉機構均較簡單，啟閉過程的穩定性較好；但尾部機艙為兩個片體，不可設置機艙監視室，不便于機艙的日常維護和緊急情況的處理及機艙布置多樣化；此外雙開體船舶上塢時由于支撐開體困難，不便于內側外板維護，尤其是機艙段內側外板的銹蝕，將嚴重危害到船舶安全。

綜上所述，本船采用四開體形式。

5.石艙開體系統及結構

本船設液壓系統完成開體油缸動作，為提高作業效率，液壓系統采用恒功率控制并具有差動功能，以有效縮短啟閉時間。

本船石艙段首尾各設開體油缸2根，啟閉時間定為：開啟≤100s，關閉≤80s。

石艙內底設有緩沖耐磨裝置（如圖2）。

在斜艙底板與耐磨面板之間敷設50mm橡膠板，用螺栓固定。為加強緩沖耐磨作用，耐磨面板上每隔240mm加焊80mm半圓鋼。石艙斜板底板厚度為10mm，石艙緩沖耐磨面板厚度為20mm。