内河浮吊动稳性计算与分析

朱国锋，张礼贵

(南京市地方海事局，江苏 南京 200036)



内河浮吊动稳性计算与分析

朱国锋，张礼贵

(南京市地方海事局，江苏 南京 200036)

为保证过驳浮吊安全高效操作，在研究动稳性计算理论分析的基础上，针对某实船进行计算及改建方案的分析，通过对实船进行现场勘验、倾斜试验及最大吊距并起吊不同荷重时船舶横倾试验，对计算中的关键参数进行验证。根据计算及试验验证，获得了满意的效果，相关分析对该类船舶的设计和改建工作具有指导意义。

内河船；起重船；动稳定性；稳性衡准数；横倾角

0 引言

船舶的动横倾角研究一直都是船舶动稳性研究中重要而又复杂的问题。过驳浮吊作为工程船的一种，是港口船舶装卸的重要工具，需要频繁往复旋转起吊货物。在每次起吊瞬间，由于外力突变，横倾力矩会使船舶发生倾斜，位于高处的浮吊控制室会产生很大的俯仰及加速度，这会严重影响操作人员的工作环境[1]，因此在这种情况下，就必须进行动稳性的计算与分析。南京港浮吊壹号船虽然其静稳性满足相关规范，但动横倾角还是无法满足实际工作的要求。由于现有常规内河船舶稳性计算软件不具有计算动倾角的功能，因此本文采用船舶原理的相关知识计算该船的动横倾角。通过不同改建方案对比，最终获得有效、经济同时又满足安全操作需求的船舶改建方案。

1 理论依据

由静力学相关知识可知[2]，船舶静稳性是指外力矩逐渐作用在船上而使船发生倾斜，横倾时角速度很小，可以认为等于0。当复原力矩MR和外力矩MH相等时即达到平衡状态，此时，船舶的静稳性是以复原力矩来表达的。而在实际工作过程中外力矩MH通常会突然作用在船舶上，使船舶倾斜时具有明显的角速度。如图1所示，当外力矩MH瞬间作用在船舶上使得船舶发生倾斜，随着船舶的倾斜，复原力矩MR逐渐增大，当复原力矩MR增大到与外力矩MH相等时，即A点，由于船舶此时具有一定的角速度，其会继续倾斜至最大横倾角Φd处。此时由于复原力矩MR大于外力矩MH，船舶倾角会逐渐减小，处于0与Φ1之间某个角度，然后又增大至Φ1与Φd之间某个角度，船舶的倾角将在0与Φd之间往复摆动，但是由于空气及水阻力的作用，船舶摆动的角速度逐渐减小，最后将会平衡于静横倾角Φ1处，如图2所示。由此可知，只有当外力矩做的功TH完全由复原力矩所做的功TR所抵消时，船舶的角速度才等于0而停止倾斜，此时，船舶的动稳性是以复原力矩所做的功来表达的。

图1 船舶动稳性

图2 船舶横倾角随时间变化曲线

当船舶由Φ=0倾斜至Φd时，外力距MH所做的功为：

复原力矩MR在Φ=0与Φd之间所做的功为：

由图1可以看出：外力矩所做的功TH为曲线OEDC所围面积，复原力矩所做的功TR为曲线OABC所围面积。当外力矩所做的功与复原力矩所做的功相等时，此时的Φd为动横倾角。由于OADC所围面积为两者共有部分，所以当面积OEA与面积ABD相等时，即得到船舶动横倾角[3]。根据这个原理，可以计算出动力作用下的动横倾角Φd。

2 实船资料

2.1 主尺度

最大船长

45.46m

总长

45.00m

垂线间长

45.00m

型宽

18.00m

形深

3.50m

设计吃水

1.70m

肋距

0.50m

梁拱

0.20m

2.2 改造前稳性数据

该船配备1台FQ2533浮式起重机，额定起重量25t，最大起吊半径33m。通过对实船进行现场勘验、倾斜试验以及最大吊距并起吊额定起重量时船舶横倾试验，得出船舶静倾角和动倾角分别为3.35°与6.61°，舷侧最大吃水为2 742mm，左右舷吃水差值2 086mm，位于高处的浮吊控制室横向偏移2 549mm，这会严重影响操作人员的工作环境，也存在一定的施工安全风险。

2.3 改造要求

由于在起吊过程中货物太重、吊距太大以及存在货物起吊加速度，导致船舶动稳性性能太差、船舶倾角太大，不能保证工作人员的舒适性以及安全性，因此需要对船舶进行改建，使得改建后的方案能够达到实际工作的需求[4]。根据船东的要求，船舶在额定起重量25 t，最大吊距33 m工作状态条件下，其动横摇角控制在2°以内可满足工作安全的要求。但是，由于在实际工作过程中，起重机在吊运起升载荷时，受垂向加速度和冲击的影响，在起重机的结构上增加了起升动载力[5]。其起升系数φh根据起重船规范按下式算得：

φh=1+CV

式中：V为起升速度，当起升速度超过1 m/s时，仍按1 m/s计算；C为决定于起重机刚度的系数，对臂架式起重机取0.3。

根据规范，在任何情况下臂架式起重机的起升系数应不小于1.1，因而根据改建船舶的工作需求，φh取1.1。

根据上述分析和计算，改建后的方案需要满足吊重27.5 t、吊距33 m，其动横摇角控制在2°左右的工作要求。

3 方案评估

改善船舶稳性、减小船舶横倾角的方法主要有降低船舶重心、减小吊重、增加船宽、设置舭龙骨、设置边浮箱、减摇设备等。下面将具体分析在选定的不同方案下，船舶稳性及横倾角的变化情况，由此对比评估得出优选的改造方案。

3.1 降低船舶重心

降低船舶重心高度可以改善船舶稳性，表1给出增加固定压载前后的初稳性高度衡准数GM1/GMZ-1与横倾角的变化。

表1 不同重心高度下的初稳性高度衡准数与横倾角

3.2 减小吊重

对于起吊作业的工程船舶来说，减小吊重是提高船舶稳性、降低倾角的最直接的方法。表2给出吊重分别为25、22、19、16 t情况下初稳性高度衡准数GM1/GMZ-1与横倾角的变化。

表2 不同吊重下的初稳性高度衡准数与横倾角

3.3 船宽加宽

增加船宽是提高船舶初稳性高度、减小船舶横倾很有效的一种方法[6]。表3给出在船宽分别加宽3、4、5、6、7 m的情况下初稳性高度衡准数GM1/GMZ-1与横倾角的变化。

3.4 船宽加宽和吊距减小

对于起重船舶来说，减小吊距就相当于减小外力距，进而可以减小船舶的倾角。表4给出在30 m吊距、不同船宽作业情况下初稳性高度衡准数GM1/GMZ-1与最大横倾角的变化。

表3 不同船宽下的初稳性高度衡准数与横倾角

表4 30 m吊距、不同船宽下的初稳性高度衡准数与横倾角

4 方案确定

通过分析上述方案数据可以得出，第1种方案降低船舶重心后，在增加固定压载前后船舶稳性与横倾角并没有明显的变化。第2种方案减小吊重后，通过计算，当吊重减小到16 t时，船舶动倾角仍不能达到实际的工作要求，并且不能满足实际营运的要求。第3种方案，随着船宽的增加，其动横倾角计算值减小明显。第4种方案，虽然吊距减小，但是其倾角较第3种方案没有明显的改善。

综合考虑，改建选择增加船宽的方案。表5给出了在增加不同宽度时船舶的自摇周期和动横倾角度。对比表中数据可以得出，在船宽增加6 m时已经达到实际的工作要求，而船宽增加7 m较6 m没有显著的提高。经过分析对比，最终确定加宽6 m并增设舭龙骨的方案为改造方案。

表5 不同船宽下的初稳性高、自摇周期与动横倾角

对比改造之前的数据，在最大吊重25 t及最大吊距33 m的起吊情况下，改建后方案的静倾角由原来的3.35°减小至1.14°，动横倾角由原来的6.61°减小至2.01°。

5 结语

实船目前已经完成了改造工作，经测量各项参数均与计算数值相符。改造后的方案大大提高了船舶的动稳性，满足了船舶安全操作的要求，改善了工人的工作环境同时获得客户的肯定。

过驳浮吊船有其自身工作要求的特殊性。为了保证船舶安全操作，本文首先在对动稳性计算理论分析的基础上，得出了在动力作用下计算动横倾角的方法；其次针对某实船开展了计算及改建方案的分析，通过对实船进行现场勘验、倾斜试验及最大吊距并起吊不同荷重时船舶横倾试验，对计算中的关键参数进行验证，最终确定采用增加船宽的方案。根据计算及试验验证，此方案获得了满意的改造效果，相关分析对该类船舶的设计和改建工作也具有指导意义。

[1] 冯铁城.在冲击外力矩作用下的横摇运动[J].船舶工程,1983(4)：8-10,30.

[2] 盛振邦,刘兴中.船舶原理[M].上海:上海交通大学出版社,2012:50-51.

[3] 刘家新.工程船舶作业力矩作用下的横摇运动[J].武汉交通科技大学学报,1995,6(2):180-188.

[4] 吴芝亮.浮式起重船吊装过程的计算机仿真[J].中国海上油气,2002,10(5):56-59.

[5] 王学亮.大型起重船在海浪中的运动响应研究[D].天津:天津大学,2002.

[6] 芮光六.起重船吊物系统的摆动分析及其控制研究[D].天津:天津大学,2004.

2016-05-24

朱国锋(1975—)，男，高级工程师，主要从事船舶检验工作及相关技术研究。

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