带破冰功能全回转拖船的设计

刘林伟

(江苏省镇江船厂(集团)有限公司，江苏镇江212002)

0 引言

全回转拖船具有灵活的操纵性，在有限的空间内能够任意方向进行船舶运动，能够协助大型船舶靠离码头、消防、引航、拖带等各种作业要求，已成为各大港口必不可少的作业工具。随着我国北方港口的开放，经济交流日益广泛，各港口的运输业越来越繁忙，积极推动了当地经济的快速发展。众所周知，我国具有较长的海岸线，不同地理位置的港口作业条件存在着较大的差异，特别是北方寒冷地区，例如:渤海湾，冬季温度低，港口的冰层厚度可达到70 cm，这对港口运输业发展以及港区船舶进出港造成了很大的困难和安全隐患。因此，港口对配套作业的全回转拖船的船型、性能及功能提出了更高的要求。

根据实地的调研，针对这些港口的地理、气候等地域特征，结合破冰船的特点，设计研发出一种更加适合北方冰区作业的带破冰功能的全回转拖船。

1 破冰船的特点

破冰船是服务类船舶，主要用来破碎冰层，开辟航道，引导冰区内船舶的航行。船身短而肥，龙骨倾斜，艏柱前倾;整船结构强度高，水线区域的船体外板用加厚钢板或高强度钢板和加密骨架进行加强，空船重量大。作业时，船舶艏部在行进中对冰层连续或反复突进式捶压破冰。总的说来，破冰船的主要特点是船长小、型宽大，自重大、功率大。

2 带破冰功能的全回转拖船的线型特点

为适用于B3级冰区的作业要求，将带破冰功能的全回转拖船的线型设计成破冰型勺型艏、斜艏柱，大圆角船艉，以适合船速、性能、顶推和冰区作业。“勺型艏、斜艏柱”为破冰船艏部的典型线型，其艏部型线图如图1所示。实船艏部如图2所示。实船艏部与水线的夹角不易大，否则会形成撞冰而非压冰，出现作业时船舶的震动加大，艏柱受力过大甚至变形，降低船舶的作业时间等一系列问题。

图1 带破冰功能的全回转拖船艏部型线图

由于钢板与冰之间的摩擦系数约为0．2，在设计船舶型线时为避免船舶的舷侧外板被冰挤压变形，需对舷侧外板进行受力分析，控制舷侧外板与垂直面之间的夹角。

在船舷侧外板上，冰的压力可分为2个方向上的力:即垂直于外板的压力R和相切于外板的切力F，其受力简图如图3所示。合力P和R之间存在着一定的夹角b，即外板对竖直线的倾斜角a，b=a，F=Rtan α。根据规范:冰与外板的摩擦力 Q=0．2R，其中0．2是冰与钢板间的摩擦系数。因此，当a＞11°时，Q＜F，切力F就会把附着在船身上的冰推到水里，冰沿着船舷滑动，并不会对船造成损坏;当a＜11°时，Q＞F，摩擦力Q会使冰块压在船舷，阻碍冰块的滑动，船舷在长时间的受力情况下就会被压坏变形。

图2 带破冰功能的全回转拖船实船艏部

图3 受力简图

3 船舶的平衡及稳定性

船舶满载时要求船舶基本保持水平(横倾不大于0．5°)，无艏倾。因本船整船结构强、重量大，尤其是艏部，空船的重心位置偏中前，所以本船在设计时需充分考虑液舱的布置位置，避免出现艏倾对船舶的作业效果和作业时间造成不利的影响。在拖船干舷足够的情况下，可在拖船艏部或艉部设置压载舱，用来控制拖船的航行浮态。拖船在航行时必须保证航向的稳定性，且船身无振动。

船舶在完工试航前必须进行倾斜试验，并根据倾斜试验数据校核港作和近海拖带调遣2种船舶工况下的船舶完整稳性。

4 结构设计重点

(1)船体结构按照《国内航行海船建造规范》进行设计和制造，满足船东作业水域冰级冰区的强度要求。根据规范要求在外板上划分出首、中、尾3个冰带区;对于无平行纵体的拖船，仅有首、尾2个冰带区。根据最大吃水和最小吃水绘出垂向的高位冰区水线(UIWL)和低位冰区水线(LIWL)，由此确定船体的冰区加强区图。

(2)在舵桨装置处船体结构进行特别加强，舵桨本体水下部分均需与船舶一致的冰级强度要求进行强度校核。舵桨布置图如图4所示。

(3)板型焊接船艏柱。整根艏柱钢板制成，保持面板的弯曲与船体线型一致，并与船壳板及龙骨板焊接。为了满足船舶顶推作业的要求，按CCS规范要求，对船体艏部进行加强。

图4 舵桨布置图

(4)全船采用横骨架式，根据规范要求每档肋位安设主肋骨(满足规范对冰区的要求)和甲板横梁，每隔4档安设强肋骨和强横梁。对于艏冰带加强区域内的构件布置可采用变肋距、中间肋骨或加厚肋骨来迎合实际受力和规范的要求;艏部水线曲度变化较大的艏尖舱内，肋骨间距的选取需要特别注意，应取肋位间的跨距。舷侧设有1道舷侧纵桁贯穿全船，同时为了满足规范强度要求，船艏部可设有短纵桁，但艏尖舱外的舷侧纵桁必须延长至距首垂线0．3 L(L为船长)处。甲板上设置5道甲板纵桁用来支撑甲板横梁，必要的地方可设置支柱来加强支承。

(5)艉纵舯底部设置分水踵，每档肋骨处设置加强筋板;两舷设置舭龙骨，考虑到破冰时舭龙骨容易撕裂的情况，位于艏冰带区的舭龙骨需设置斜向支撑;若船舶作业于恶劣冰况的水域，则建议不设舭龙骨。

(6)船体艏部设有艏部操作平台，操作平台的坡度不易过大或过小。坡度大了，员工作业时不易站立，容易打滑，危险系数大;坡度小了，甲板上浪的积水不能及时排出，容易出现结冰现象，员工作业时易打滑，危险系数更大。根据经验，将其坡度限定在2°～4°以内，同时在平台上铺设格栅或防滑棱，阻止水或冰与作业人员鞋底的直接接触。在冰期气候特别恶劣(滴水成冰)的港口拖船，可在格栅或防滑棱上面再铺设锦纶防滑网。

(7)所有机械设备和附件在下列设计条件下能够保证正常运行和达到额定功能:

大气压力 0．1 MPa

环境温度最高 45℃;最低－25℃

相对湿度 85%

海水温度 32℃

5 破冰功能的实现

本船装有艉推进装置，船舶运转时螺旋桨在船艉提供强大的推力，根据船艏柱的线型特点，使船艏冲至冰面上。破冰船要求具有倾斜的艏部，同时艏部吃水浅，这样才能保证破冰作业时船艏轻轻松松地冲上冰面。当船艏部分出现在水面上的重量大于冰层所能承受的力时，冰层就被压碎。然后船舶向后倒行一定的距离，再次全速向前冲上冰层，利用船艏重量压碎冰层。这个时候的船舶就像是一个速度低而重量极大的大块头，是一个超大磅的重锤。如此反复，冰封的港口航道内就被撕开了一个口子，为大型船舶的靠离码头保驾护航。

6 结语

改革开放以来，我国经济的飞速发展离不开港口经济的推动。作为世界上最长海岸线的国家之一，相比繁荣的南部和东部口岸，渤海湾地区的港口经济正在迎头赶上，而港口吞吐量是衡量港口经济的重要指标之一。船舶的靠离需要拖船的协助，进出港口离不开拖船的护航。随着世界贸易的增长，运输船舶逐步往大型化发展。一定吨位的船舶需要配置相当数量和功率的拖船，拖船的配置直接关系着港口的吞吐量，而本文设计的带破冰功能的全回转拖船正是为渤海湾各港口量身定制的船型，为该地区港口经济的持续发展提供了保障。

根据实船交付后的使用情况反馈，本船型完全达到设计预期的要求。在冰期的渤海湾内时刻可以看到它们忙碌的身影，经常出现人歇船不歇的现象。即使是严寒期的叠冰现象也能轻松破除，使得冰期的渤海湾也能依旧繁华。

［1］ 中国船级社．钢质海船入级规范 (第2分册)［M］．北京:人民交通出版社，2015．