43 m內(nèi)河新型高速水政執(zhí)法艇設(shè)計(jì)

王世杰

(江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

為有效打擊水上違法犯罪活動(dòng)、及時(shí)處理水上突發(fā)事件等，近年來我國(guó)執(zhí)法部門越來越重視加強(qiáng)執(zhí)法隊(duì)伍建設(shè)，不斷提高執(zhí)法能力[1]。公務(wù)執(zhí)法艇作為水上執(zhí)法的重要裝備，其大型化、快速化、多功能化設(shè)計(jì)研究符合我國(guó)內(nèi)河公務(wù)執(zhí)法艇的需求發(fā)展趨勢(shì)。目前，我國(guó)水政執(zhí)法艇的尺度普遍相對(duì)較小，速度相對(duì)較低，執(zhí)法功能相對(duì)單一化[2-3]，其功能與管理要求不相適應(yīng)，因此研發(fā)移動(dòng)綜合管理平臺(tái)勢(shì)在必行。

為滿足水上執(zhí)法任務(wù)的需要，通常要求公務(wù)執(zhí)法艇具有較高的快速機(jī)動(dòng)性，因而對(duì)內(nèi)河公務(wù)執(zhí)法艇的技術(shù)水平、數(shù)量、噸位都提出了更高的要求。國(guó)內(nèi)使用較多的排水量型高速執(zhí)法艇具有尺度大、甲板面積較大且功能艙室齊全、穩(wěn)性更好、執(zhí)法裝備多等優(yōu)點(diǎn)，但其設(shè)計(jì)難點(diǎn)是投入經(jīng)費(fèi)限定且需要保證實(shí)現(xiàn)全部功能。控制空船重量和振動(dòng)噪聲與經(jīng)費(fèi)限定是矛盾體，需要找到平衡點(diǎn)。為此，本文以具有多功能、一體化的綜合管理移動(dòng)平臺(tái)——43 m內(nèi)河新型高速水政執(zhí)法艇為研究對(duì)象，闡述了該艇的總體設(shè)計(jì)理念和外觀設(shè)計(jì)思路，詳細(xì)分析了該艇的主要參數(shù)、總體布置和主要功能艙室，以及該艇的結(jié)構(gòu)材料選擇，研究了空船重量和振動(dòng)噪聲的控制措施，以確保滿足各種復(fù)雜環(huán)境下禁采江砂、水上執(zhí)法、水下測(cè)量等多重任務(wù)的需要。

1 設(shè)計(jì)思想

(1)充分體現(xiàn)“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，船型布局合理，外形簡(jiǎn)潔大方，線型流暢美觀；船舶駕駛視線良好，有利于駕駛?cè)藛T在擁擠繁忙的航道上安全操作；內(nèi)部艙室寬敞舒適明亮，以改善執(zhí)法人員的工作環(huán)境，提高工作效率。

(2)采用雙機(jī)、雙槳、雙舵推進(jìn)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(hào)等信號(hào)系統(tǒng)可靠、響亮，提高船舶在執(zhí)法過程中超越和交匯避讓時(shí)的安全性能。

(3)具有一定的快速性能，以利于執(zhí)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(zhí)法的需要，又兼顧日常使用的經(jīng)濟(jì)性，還要考慮到減少其航行波對(duì)其他船舶航行安全的影響。

(4)主要機(jī)電設(shè)備以選擇技術(shù)性能優(yōu)良為前提。主輔機(jī)等核心設(shè)備選擇體積小、振動(dòng)噪聲低的設(shè)備，以提高船舶整體技術(shù)性能和有效航行時(shí)間，延長(zhǎng)船舶整體使用壽命，同時(shí)減少故障發(fā)生的機(jī)率。

(5)舾裝設(shè)備做工精細(xì)，造型小巧而且重量輕，與船舶整體協(xié)調(diào)；門窗風(fēng)雨密性好，開啟順暢，關(guān)閉嚴(yán)實(shí)，不會(huì)因船體振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲。

(6)內(nèi)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(zhì)，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(dá)到良好的視覺效果。

(7)配備必要的現(xiàn)代化辦公、通訊設(shè)施及音響、影像系統(tǒng)，以滿足電子政務(wù)信息、現(xiàn)場(chǎng)取證等工作的需要，提高工作效率。

(8)為提高船舶的技術(shù)性能，船體結(jié)構(gòu)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(jié)約主機(jī)功率。

2 主要參數(shù)和總體布置

2.1 主要參數(shù)

43 m內(nèi)河新型高速水政執(zhí)法艇尺度大、甲板面積較大且功能艙室齊全、執(zhí)法裝備多，空船重量較重，航速較快，屬于排水量型高速執(zhí)法艇，主要執(zhí)行長(zhǎng)江航道水下地形測(cè)量、水質(zhì)檢驗(yàn)、水上行政執(zhí)法、防汛指揮、會(huì)務(wù)接待等任務(wù)。該船主要參數(shù)如下：

(1)最大船長(zhǎng)43.0 m，型寬7.2 m，型深2.60 m，設(shè)計(jì)吃水1.45 m，排水量～165 t，航速≥35.0 km/h，乘員58人，航區(qū)A級(jí)。

(2)主機(jī)功率895 kW，轉(zhuǎn)速1 900 r/min，2臺(tái)。

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(shè)有船員艙。主甲板以上一層設(shè)有會(huì)議室、大廳、餐廳和配餐間；主甲板以上二層設(shè)有工作室和玄關(guān)；主甲板以上二層半設(shè)有駕駛室。

2.3 外觀設(shè)計(jì)思路

43 m排水量型高速執(zhí)法艇功能艙室面積相對(duì)較大，上層建筑較豐滿，因而在外形設(shè)計(jì)時(shí)盡量體現(xiàn)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(jié)構(gòu)形式，駕駛區(qū)域采用半升高布置方式，在增加外形層次感的同時(shí)較好地改善駕駛視線，減小駕駛盲區(qū)；減小上層建筑在水線以上的高度，使得整個(gè)外形流暢、協(xié)調(diào)，利于降低上層建筑的重心高度和減小受風(fēng)面積，進(jìn)一步提高船舶安全性能。

在不增加現(xiàn)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(zhí)法功能和會(huì)務(wù)接待需求的同時(shí)改善內(nèi)部使用空間的舒適性，充分體現(xiàn)“以人為本”的設(shè)計(jì)理念。

3 結(jié)構(gòu)材料的選擇

3.1 結(jié)構(gòu)材料的選擇

大型、中低速的船舶結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jià)格對(duì)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(huán)保型材料，近年來逐步被淘汰，新造小型高速艇基本上會(huì)采用全鋁合金結(jié)構(gòu)。碳纖維強(qiáng)度好、重量輕，但價(jià)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(jié)構(gòu)型式：主艇體結(jié)構(gòu)采用CCSB船用鋼材；上層建筑采用鋁合金帶筋板結(jié)構(gòu)；鋼質(zhì)主船體與鋁質(zhì)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(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)可以保證整船具有足夠的強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

(2)能降低重心高度,改善船舶的穩(wěn)性，而且在相同的主機(jī)功率時(shí)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(yǎng)費(fèi)用。

(4)造價(jià)適中，是目前公務(wù)艇的理想結(jié)構(gòu)材料組合。

3.2 鋁合金帶筋板材料特點(diǎn)

(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(hào)為6082-T6，屈服強(qiáng)度為240 MPa，其強(qiáng)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(qiáng)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(fā)展純熟，制造成本減少，市場(chǎng)保有量增多，價(jià)格幾乎接近船用鋁合金平板的價(jià)格。這樣使得原本造價(jià)預(yù)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(duì)較大，空船重量較大，所以在合理功率范圍內(nèi)要達(dá)到設(shè)計(jì)航速指標(biāo)，控制空船重量顯得尤為重要[7]。在船舶造價(jià)預(yù)算允許前提下，從以下幾方面優(yōu)化設(shè)計(jì)：

4.1 選用輕型船體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(huán)保的基礎(chǔ)上，盡量選用輕型材料。具體要求如下：

(1)內(nèi)部裝修骨架選用鋁合金龍骨，配餐間、衛(wèi)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(jī)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(shí)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(zhǎng)且環(huán)保。

4.3 機(jī)電設(shè)備和甲板機(jī)械及舾裝件選型

(1)主機(jī)、發(fā)電機(jī)組、齒輪箱選用壽命長(zhǎng)、維修率低且體積小、重量輕的品牌。

(2)駕控臺(tái)采用鋁合金結(jié)構(gòu)材料，和上層建筑一體制作，再進(jìn)行外部裝修。

5 振動(dòng)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(dòng)隔振和被動(dòng)隔振相結(jié)合的措施[8]。

5.1 主動(dòng)隔振措施

主動(dòng)隔振是從源頭控制振動(dòng)并降低噪聲。船舶推進(jìn)系統(tǒng)包含2個(gè)主要振源：主機(jī)和螺旋槳。

常規(guī)艇動(dòng)力系統(tǒng)的布置形式是主機(jī)與齒輪箱獨(dú)立安裝，發(fā)動(dòng)機(jī)與齒輪箱之間的聯(lián)軸器采用位移補(bǔ)償能力大的高彈聯(lián)軸器。主機(jī)用隔震墊支撐，齒輪箱剛性安裝。這種傳統(tǒng)的隔振方式實(shí)踐證明：對(duì)于超過1 500 r/min的高速柴油機(jī)效果不明顯，還會(huì)帶來主機(jī)怠速時(shí)搖晃厲害的問題。

本艇主機(jī)與齒輪箱罩殼連接，主機(jī)組整體由4個(gè)高彈隔振墊彈性固定在機(jī)座上，通過推力軸承+補(bǔ)償聯(lián)軸器與艉軸相連。這種推力軸承+補(bǔ)償聯(lián)軸器+隔振器的軸系柔性傳動(dòng)設(shè)計(jì)，可有效地解決常規(guī)高彈聯(lián)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(dòng)噪聲。

5.2 被動(dòng)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(yuǎn)離機(jī)艙，做到物理隔斷噪聲源。

(2)在裝修方面：內(nèi)部功能艙室及機(jī)艙四周內(nèi)襯輔材及面材均選用可隔音材料。

(3)在結(jié)構(gòu)方面：機(jī)艙結(jié)構(gòu)、艉尖艙螺旋槳上方結(jié)構(gòu)尺寸在滿足強(qiáng)度計(jì)算要求基礎(chǔ)上適當(dāng)加強(qiáng)，使振動(dòng)源附近的結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，利于振動(dòng)衰減。

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

(5)振源附近敷設(shè)阻尼涂料，使振動(dòng)衰減加快，達(dá)到減振、降噪效果。

(6)采用適當(dāng)?shù)臉~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(dòng)。

6 結(jié)論

(1)43 m排水量型高速執(zhí)法艇船型布局合理，外形簡(jiǎn)潔大方，線型流暢美觀，且配備必要的現(xiàn)代化辦公、通訊設(shè)施及音響、影像系統(tǒng)，以滿足執(zhí)行時(shí)電子政務(wù)信息、現(xiàn)場(chǎng)取證等工作的需要，提高執(zhí)法人員工作效率。

(2)實(shí)船試航結(jié)果表明：該艇操縱性能優(yōu)良，具備一定的快速性能，滿足了行政執(zhí)法的需要。會(huì)議室、工作室、駕駛室實(shí)測(cè)噪聲指標(biāo)均小于55 dB，實(shí)測(cè)航速達(dá)到并略超過設(shè)計(jì)航速指標(biāo)。