200m3自航四开体石驳的总体设计

杜小明

摘 要：介绍长江上游200m3自航四开体石驳的总体设计方案内容，着重对主尺度、布置方案、开体方式、结构形式、主要设备的选取等作了分析和研究。

关键词：石驳 主尺度 四开体 船舶设计

1.引言

因金沙江向家壩等工程蓄水，下泄清水挟沙能力增强，加快了长江宜宾合江门至重庆新港河段河槽冲刷，“上冲下淤”，维护疏浚量由40万方增加至70万方以上。该河段为卵石河床，航道弯、窄，主要采用抓斗挖泥船配套石驳进行维护疏浚施工。

本文介绍200m3自航开体石驳设计方案，并着重对船舶的主尺度、布置方案、开体方式、结构形式、主要设备的选取原则和方法等作分析和研究。

2.主尺度的确定

主尺度选取时，主要考虑作业需求，结合航道等自然条件限制，对不同尺度的快速性、经济性、操纵性等进行比选确定。

2.1总长LOA

总长的选取首先要考虑船舶的总布置及石舱容积要求，以及操纵性、快速性以及经济性等多因素。

首先以总体布置看，为满足居住舱室的需要，及石舱容积要求，本船总长≮43.8m。

其次从操纵性方面看，因本船作业航道复杂多变，增加船长会加大转弯调头难度。其航行河段最小航道维护尺度为2.9m×50m×560m（航深×航宽×弯曲半径）。根据经验，为确保大流速情况下狭窄航道处调头的安全，本船总长不宜超过46m

再就快速性角度而言，本船设计航速约为19km/h，其傅氏数约为0.25，此时随着船长的增加，长度（L）排水量（Δ）系数（L/Δ1/3）会加大，剩余阻力因傅氏数减少和船体变得瘦长而减少，虽然摩擦阻力因湿表面积增加而增大，但因为此时剩余阻力所占比例较大，因而总阻力会随着船长增加而减少。

而从经济性方面看，船长增加会略微增加船体钢料（本船船长每增加2m，约增加钢料10t），但可降低主机功率，主机会便宜些，后期的运营及维护成本也低很多，更符合当今节能环保型社会要求。

因此，在条件允许时，适当增加船长是有利的。

在初步设计阶段，可用巴氏裘宁公式估算船长与航速和排水量之间在阻力性能上的最佳配合值：

v—航速，10.26kn；Δ—型排水体积，825m3

综合上述因素，本船总长初定为46m。

2.2吃水d

吃水的选取主要受航道限制。本船服务水域维护水深2.9m，兼顾考虑配合抓斗式挖泥船进行应急抢险作业的要求，本船设计吃水定为2.4m。

2.3型深D

型深应能满足舱容、舱底布置、干舷以及稳性等要求。增加型深对稳性有利，还可以增加石舱容积。经核算，本船干舷0.45m时稳性可满足法规的要求。据此，本船型深定为2.85m。

2.4船宽B

船宽的选取要考虑本船的总布置及石舱容积要求，且还应考虑快速性、稳性以及经济性等因素。船宽太小会对船舶的稳性和舱室布置不利，但船宽太大可能会使初稳性高过大，导致横摇加剧。

从总布置及石舱容积要求来看，本船船宽应不小于8.5m。船宽初定为8.6--9.0m，此时L/B（船长/型宽）约4.89—5.35、B/d（型宽/型深）约3.58—3.75，均在一个合理的范围内。

2.5作业舱容

本船为4 m3抓斗挖泥船配套船舶，根据配套的需求石驳舱容应不低于200 m3。根据船长和总布置的初步分析和布置，本船石舱长度不小于20m，对石舱的横剖面进行初步设计，以确保石舱横剖面积不低于10m2，总的石舱舱容不低于200 m3。

3.船舶线型

本船宽度（B）吃水（d）比B/ d=3.75、方形系数Cb约为0.83，均较大，属于浅吃水肥大船型。线型设计的难点主要在首尾部线型和平行中体的配合，尤其是首部及尾部线型的合理设计。

一般来讲，浅吃水肥大型船的特点是线型丰满、湿表面积大、傅氏数低，但本船由于受航道限制，船长较小，另外考虑到需要上水冲滩，对航速的要求也比较高，这就造成了本船的傅氏数较大。经计算，本船傅氏数Fn约0.25，远高于一般浅吃水肥大船型傅氏数Fn=0.1～0.2的范围，此因素在确定首尾线型时要予以重点考虑。

3.1首部线型

针对本船浅吃水肥大船型的特点，首部线型可考虑采用纵流首、前倾首和直型首等三种型式（如图1所示）。

本船服务水域航道复杂，部分水域滩多水急，要求船舶必须具有较好的航向稳定性和应舵性，因此纵流首不太适合。而采用直型首可最大限度拉长水线，提升船舶快速性和航向稳定性。本船优先采用直型首。

3.2尾部线型

针对本船浅吃水肥大船型的特点，尾部线型可考虑采用流线型尾、普通双尾以及带隧道双尾。

本船重心较靠后，为增加尾排水量，需把尾纵剖线往下压，进一步限制了螺旋桨的直径，尾部增加隧洞可以缓解这一矛盾； 且本船属浅吃水肥大船型，采用双尾船型是对阻力性能有利的，另由于受吃水限制，增加隧洞可加大螺旋桨直径，进而提高航速。因此本船最终采用带闭式隧洞的双尾船型。

4.开体形式

开体形式主要有四开体式和双开体形式两种：

四开体形式：船体首部和尾部为整体，中部石舱区域分为左右两个片体，开体时只有中部两个片体对开。采用四开体形式，上层建筑与尾部主体结构形成整体，布置面积较大，布置方式可多样化，便于船员的生活和工作；且石舱片体与首尾部设两个以上的铰链连接，开体动作更加稳定和准确，因绞点设置在首尾两侧，对船长并无影响；船舶上坞后，坞趸支撑住首尾片体，可打开中间两个片体，对石舱段内侧外板进行维护。

双开体形式：由纵向对称的两半船体组成，该两半船体绕分别设置在首尾主甲板之上两个绞链轴进行轉动，首尾液压缸舱分别设置了一只用于片体启闭的启闭液压缸。采用双开体形式，船体结构和启闭机构均较简单，启闭过程的稳定性较好；但尾部机舱为两个片体，不可设置机舱监视室，不便于机舱的日常维护和紧急情况的处理及机舱布置多样化；此外双开体船舶上坞时由于支撑开体困难，不便于内侧外板维护，尤其是机舱段内侧外板的锈蚀，将严重危害到船舶安全。

综上所述，本船采用四开体形式。

5.石舱开体系统及结构

本船设液压系统完成开体油缸动作，为提高作业效率，液压系统采用恒功率控制并具有差动功能，以有效缩短启闭时间。

本船石舱段首尾各设开体油缸2根，启闭时间定为：开启≤100s，关闭≤80s。

石舱内底设有缓冲耐磨装置（如图2）。

在斜舱底板与耐磨面板之间敷设50mm橡胶板，用螺栓固定。为加强缓冲耐磨作用，耐磨面板上每隔240mm加焊80mm半圆钢。石舱斜板底板厚度为10mm，石舱缓冲耐磨面板厚度为20mm。

6.主要机电设备选配

6.1推进主机选用

本船机电设备配置较单一，核心设备为推进主机，直接影响到整个动力装置的安全性和经济性。结合使用情况，本船选用～530kW左右的推进主机。

6.2主发电机组选配

根据项目以及船型特点及总体要求，结合不同工况用电需求，配置有2台约64 kW主柴油发电机组，发电机组原动机的柴油机功率约80kW左右。

7.结语

开体石驳主要完成石块等航道淤积物装载、运输及抛投作业，船型及作业区域环境复杂，在设计时要了解船舶运行的航道情况，及工作、运行限制条件，并重点处理好合理选择开体方式及石舱启闭时间、舱底对石料冲击的防撞耐磨措施等。

此外，在确定总体方案时要与用户多沟通，有时还需要与疏浚专业配合，并了解类似船舶的使用情况，以便最后的设计能满足其使用功能的要求。

参考文献：

[[1]中国船级社.钢质内河船舶建造规范[M].北京：人民交通出版社，2016.

[2]长江船舶设计院编.内河船舶设计手册（船体分册）.北京：人民交通出版性，1977.

[3]程斌，潘伟文.船舶设计教程.上海：上海交通大学出版社，1988.