98 m高速客滾船車輛系固安全性校核系統(tǒng)

向祖權(quán), 余林科, 劉 楊

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢 430063)

0 引 言

98 m高速客滾船船長98 m、型寬26 m、型深13.2 m，滿載排水量1 800 t，全船采用鋁合金材質(zhì)，航速高達(dá)40 kn。該船可裝載260輛小型車輛(長×寬：4.5 m×2.3 m)，或擁有380 m長卡車道(長×寬：3.10 m×4.35 m)并裝載80輛小型車輛(長×寬：4.5 m×2.3 m)。此外，客艙級(jí)別有標(biāo)準(zhǔn)型、經(jīng)濟(jì)型、休閑型、豪華型及VIP型等，可容納780名旅客。

380 m長卡車道主要用于集裝箱半掛車，集裝箱半掛車裝載的集裝箱類型主要為20英尺(1英尺=0.304 8 m)和40英尺。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1598-1989《汽車外廓尺寸限界》規(guī)定，半掛汽車列車總長度不超過16.5 m，總寬度不超過2.5 m，總高度不超過4.0 m。

客滾船在航行過程中經(jīng)常受到風(fēng)、浪、流的聯(lián)合作用而發(fā)生搖蕩，當(dāng)其運(yùn)載的車輛系固效果不佳時(shí)會(huì)發(fā)生滑移或傾覆，這易引起船舶穩(wěn)性的改變，在一定程度上影響客滾船的航行安全。英國勞氏船級(jí)社(LR)曾在一份調(diào)查報(bào)告中指出，地中海海域發(fā)生的客滾船事故中，超過50%的原因是車輛系固不牢而發(fā)生了移動(dòng)。因此，研究該高速客滾船的車輛系固方式，校核其系固安全性，對(duì)于船舶在投入運(yùn)營后其車輛的系固安全性有著重要的保障。

1 系固方案設(shè)計(jì)

根據(jù)IMO《貨物積載與系固安全操作規(guī)則》[1]，滾裝船汽車貨載的系固屬于滾動(dòng)(輪載)貨物的安全系固問題。

對(duì)于小轎車而言，其尺寸小、質(zhì)量輕，其總質(zhì)量一般不超過3.0 t，因此采用尼龍織帶或錦綸織帶對(duì)轎車加以綁扎即可，其甲板系固點(diǎn)的數(shù)量為4個(gè)，車輛系固點(diǎn)前后各1個(gè)，同時(shí)在其前軸輪胎或后軸輪胎下墊以橡膠楔形墊塊，其系固方案如圖1所示。兩輛車前后之間的安全間距為500 mm，左右之間的安全間距為800 mm。綁扎帶在系固點(diǎn)上的水平夾角一般不大于35°。

圖1 小轎車系固方案

集裝箱半掛車屬于載重型汽車，制定系固方案如圖2所示。甲板系固點(diǎn)左右各4個(gè)，車輛系固點(diǎn)左右各4個(gè)，前后輪軸均用橡膠楔形墊塊加以限位。兩輛車前后之間的安全間距為400 mm，左右之間的安全間距為600 mm。該方案應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1) 車輛系固點(diǎn)上的綁扎設(shè)備(鏈條、鋼絲繩、綁扎帶)的捆扎應(yīng)使其與水平面和垂直面之間的夾角為30°～60°。

(2) 車輛系固點(diǎn)上的綁扎設(shè)備應(yīng)在縱向平面上有向前或向后的夾角，以產(chǎn)生縱向的綁扎力 。一般以車輛中段為目標(biāo)，在車首段向前傾斜某一夾角，在車后段向后傾斜某一夾角，其夾角沒有特別要求，一般視車輛在船上產(chǎn)生的縱向力而定，但此夾角不能太大。

(3) 綁扎裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮有一個(gè)安全入口通道，如其松動(dòng)應(yīng)盡可能重新收緊。如可行與需要，應(yīng)在整個(gè)航行過程中定期檢查，隨時(shí)加以收緊。

(4) 在車輛上任何一個(gè)系固點(diǎn)的穿孔，應(yīng)僅能適用于1根綁扎設(shè)備進(jìn)行綁扎。

圖2 集裝箱半掛車系固方案

2 車輛系固安全性校核方法

目前比較常用的系固校核方法有經(jīng)驗(yàn)估算法和精確計(jì)算法[2-3]，經(jīng)驗(yàn)估算法的結(jié)果比較粗略，適用于小件貨物的校核[4]。因此，采用精確計(jì)算法，對(duì)該高速客滾船的車輛系固進(jìn)行校核。

2.1 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)挪威船級(jí)社(DNV GL)《貨物系固手冊(cè)》[5]的規(guī)定，利用精確計(jì)算法評(píng)價(jià)車輛系固效果時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)為

(1)

式中：Fy、Fx分別為車輛受到的橫、縱向外力，kN；[Fy]、[Fx] 分別為阻止車輛移動(dòng)的橫、縱向約束力，kN；My為車輛受到的橫向傾覆力矩，kN·m；[My]為阻止車輛橫向傾覆的約束力矩，kN·m。

2.2 車輛受到的外力

車輛受到的外力包括慣性力、風(fēng)壓力和波濺力[6-7]。船上車輛在縱、橫和垂向上受到的外力計(jì)算式為

F(x,y,z)=Fi(x,y,z)+Fw(x,y)+Fs(x,y)

(2)

式中：F(x,y,z)為車輛受到的縱、橫和垂向力，kN；Fi(x,y,z)為縱、橫和垂向慣性力，kN；Fw(x,y)為由風(fēng)壓所致的縱、橫向力，kN/m2；Fs(x,y)為由海浪拍擊所致的縱、橫向力，kN/m2。

慣性力在各方向上的分量表達(dá)式為

(3)

式中：m為車輛的質(zhì)量，t；ax、ay、az分別為車輛位置處的縱、橫和垂向加速度，m/s2。

各方向上的加速度公式為

(4)

表1 不同位置的修正因數(shù)

計(jì)算出車輛受到的各項(xiàng)外力后，則可以得到橫向傾覆力矩為

My=Fy·l

(5)

式中：l為傾覆力臂，m。

2.3 車輛約束力

阻止車輛移動(dòng)的約束力主要由系索對(duì)車輛的約束力和甲板與輪胎間的摩擦力組成：

(6)

圖3 貨物綁扎角示例

2.4 車輛約束力矩

車輛的約束力矩由車輛自身重力產(chǎn)生的力矩與系固設(shè)備產(chǎn)生的力矩組成：

[My] =mg·b′+∑CS,i·ci

(7)

式中：b′為車輛重心與橫向翻轉(zhuǎn)軸之間的水平距離；ci為橫向翻轉(zhuǎn)軸至各系索的垂直距離，也稱系固力臂，如圖4所示。

圖4 系固力臂

3 系固安全性校核系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)精確計(jì)算法校核系固安全性時(shí)，涉及參數(shù)較多，計(jì)算過程繁瑣。為了實(shí)現(xiàn)裝載車輛系固安全性的自動(dòng)校核，結(jié)合某98 m沿海客滾船的實(shí)際系固情況，基于精確計(jì)算法理論，采用Visual C++為開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)1套98 m高速客滾船車輛裝載系固安全性校核系統(tǒng)，其程序主要功能模塊如圖5所示。

圖5 系固安全性校核系統(tǒng)功能模塊

校核系統(tǒng)采用微軟的Access數(shù)據(jù)庫，通過ADO進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。車輛信息、裝載信息、系固綁扎件信息、加速度信息等可以通過Excel數(shù)據(jù)表或手工輸入，系統(tǒng)可對(duì)加速度、船長、航速等影響系固校核精度的參數(shù)根據(jù)DNV規(guī)范進(jìn)行相應(yīng)修正。點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕后系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)裝載的所有車輛進(jìn)行安全性校核計(jì)算，對(duì)于不滿足安全性要求的系固點(diǎn)會(huì)報(bào)警，操作人員可針對(duì)這些不合格系固點(diǎn)進(jìn)行綁扎參數(shù)修改，然后重新校核，直到所有系固點(diǎn)符合安全性要求。校核系統(tǒng)主要操作界面如圖6所示，在圖6(d)的界面中修改相關(guān)參數(shù)后，可重新進(jìn)行計(jì)算。

圖6 校核系統(tǒng)主要功能界面示例

4 結(jié) 論

針對(duì)98 m高速客滾船的車輛系固安全性問題，根據(jù)其裝載的車輛數(shù)量和車型要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的車輛系固方案。基于DNV GL規(guī)范，采用精確計(jì)算法，利用Microsoft Visual C++開發(fā)了98 m高速客滾船的車輛系固安全性校核系統(tǒng)。該系統(tǒng)可快速評(píng)價(jià)該客滾船的車輛系固效果是否滿足要求，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有不滿足要求的項(xiàng)目時(shí)，可修改相關(guān)系固數(shù)據(jù)再進(jìn)行校核，直到滿足要求為止。該系統(tǒng)在實(shí)船上應(yīng)用并取得了良好的效果。