98 m高速客滚船车辆系固安全性校核系统

向祖权, 余林科, 刘 杨

(武汉理工大学 交通学院， 湖北 武汉 430063)

0 引 言

98 m高速客滚船船长98 m、型宽26 m、型深13.2 m，满载排水量1 800 t，全船采用铝合金材质，航速高达40 kn。该船可装载260辆小型车辆(长×宽：4.5 m×2.3 m)，或拥有380 m长卡车道(长×宽：3.10 m×4.35 m)并装载80辆小型车辆(长×宽：4.5 m×2.3 m)。此外，客舱级别有标准型、经济型、休闲型、豪华型及VIP型等，可容纳780名旅客。

380 m长卡车道主要用于集装箱半挂车，集装箱半挂车装载的集装箱类型主要为20英尺(1英尺=0.304 8 m)和40英尺。国家标准GB 1598-1989《汽车外廓尺寸限界》规定，半挂汽车列车总长度不超过16.5 m，总宽度不超过2.5 m，总高度不超过4.0 m。

客滚船在航行过程中经常受到风、浪、流的联合作用而发生摇荡，当其运载的车辆系固效果不佳时会发生滑移或倾覆，这易引起船舶稳性的改变，在一定程度上影响客滚船的航行安全。英国劳氏船级社(LR)曾在一份调查报告中指出，地中海海域发生的客滚船事故中，超过50%的原因是车辆系固不牢而发生了移动。因此，研究该高速客滚船的车辆系固方式，校核其系固安全性，对于船舶在投入运营后其车辆的系固安全性有着重要的保障。

1 系固方案设计

根据IMO《货物积载与系固安全操作规则》[1]，滚装船汽车货载的系固属于滚动(轮载)货物的安全系固问题。

对于小轿车而言，其尺寸小、质量轻，其总质量一般不超过3.0 t，因此采用尼龙织带或锦纶织带对轿车加以绑扎即可，其甲板系固点的数量为4个，车辆系固点前后各1个，同时在其前轴轮胎或后轴轮胎下垫以橡胶楔形垫块，其系固方案如图1所示。两辆车前后之间的安全间距为500 mm，左右之间的安全间距为800 mm。绑扎带在系固点上的水平夹角一般不大于35°。

图1 小轿车系固方案

集装箱半挂车属于载重型汽车，制定系固方案如图2所示。甲板系固点左右各4个，车辆系固点左右各4个，前后轮轴均用橡胶楔形垫块加以限位。两辆车前后之间的安全间距为400 mm，左右之间的安全间距为600 mm。该方案应注意以下几点：

(1) 车辆系固点上的绑扎设备(链条、钢丝绳、绑扎带)的捆扎应使其与水平面和垂直面之间的夹角为30°～60°。

(2) 车辆系固点上的绑扎设备应在纵向平面上有向前或向后的夹角，以产生纵向的绑扎力 。一般以车辆中段为目标，在车首段向前倾斜某一夹角，在车后段向后倾斜某一夹角，其夹角没有特别要求，一般视车辆在船上产生的纵向力而定，但此夹角不能太大。

(3) 绑扎装置的设计应考虑有一个安全入口通道，如其松动应尽可能重新收紧。如可行与需要，应在整个航行过程中定期检查，随时加以收紧。

(4) 在车辆上任何一个系固点的穿孔，应仅能适用于1根绑扎设备进行绑扎。

图2 集装箱半挂车系固方案

2 车辆系固安全性校核方法

目前比较常用的系固校核方法有经验估算法和精确计算法[2-3]，经验估算法的结果比较粗略，适用于小件货物的校核[4]。因此，采用精确计算法，对该高速客滚船的车辆系固进行校核。

2.1 评判标准

根据挪威船级社(DNV GL)《货物系固手册》[5]的规定，利用精确计算法评价车辆系固效果时，其标准为

(1)

式中：Fy、Fx分别为车辆受到的横、纵向外力，kN；[Fy]、[Fx] 分别为阻止车辆移动的横、纵向约束力，kN；My为车辆受到的横向倾覆力矩，kN·m；[My]为阻止车辆横向倾覆的约束力矩，kN·m。

2.2 车辆受到的外力

车辆受到的外力包括惯性力、风压力和波溅力[6-7]。船上车辆在纵、横和垂向上受到的外力计算式为

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

(2)

式中：F(x,y,z)为车辆受到的纵、横和垂向力，kN；Fi(x,y,z)为纵、横和垂向惯性力，kN；Fw(x,y)为由风压所致的纵、横向力，kN/m2；Fs(x,y)为由海浪拍击所致的纵、横向力，kN/m2。

惯性力在各方向上的分量表达式为

(3)

式中：m为车辆的质量，t；ax、ay、az分别为车辆位置处的纵、横和垂向加速度，m/s2。

各方向上的加速度公式为

(4)

表1 不同位置的修正因数

计算出车辆受到的各项外力后，则可以得到横向倾覆力矩为

My=Fy·l

(5)

式中：l为倾覆力臂，m。

2.3 车辆约束力

阻止车辆移动的约束力主要由系索对车辆的约束力和甲板与轮胎间的摩擦力组成：

(6)

图3 货物绑扎角示例

2.4 车辆约束力矩

车辆的约束力矩由车辆自身重力产生的力矩与系固设备产生的力矩组成：

[My] =mg·b′+∑CS,i·ci

(7)

式中：b′为车辆重心与横向翻转轴之间的水平距离；ci为横向翻转轴至各系索的垂直距离，也称系固力臂，如图4所示。

图4 系固力臂

3 系固安全性校核系统开发

根据精确计算法校核系固安全性时，涉及参数较多，计算过程繁琐。为了实现装载车辆系固安全性的自动校核，结合某98 m沿海客滚船的实际系固情况，基于精确计算法理论，采用Visual C++为开发平台，开发1套98 m高速客滚船车辆装载系固安全性校核系统，其程序主要功能模块如图5所示。

图5 系固安全性校核系统功能模块

校核系统采用微软的Access数据库，通过ADO进行驱动。车辆信息、装载信息、系固绑扎件信息、加速度信息等可以通过Excel数据表或手工输入，系统可对加速度、船长、航速等影响系固校核精度的参数根据DNV规范进行相应修正。点击“计算”按钮后系统自动对装载的所有车辆进行安全性校核计算，对于不满足安全性要求的系固点会报警，操作人员可针对这些不合格系固点进行绑扎参数修改，然后重新校核，直到所有系固点符合安全性要求。校核系统主要操作界面如图6所示，在图6(d)的界面中修改相关参数后，可重新进行计算。

图6 校核系统主要功能界面示例

4 结 论

针对98 m高速客滚船的车辆系固安全性问题，根据其装载的车辆数量和车型要求，设计相应的车辆系固方案。基于DNV GL规范，采用精确计算法，利用Microsoft Visual C++开发了98 m高速客滚船的车辆系固安全性校核系统。该系统可快速评价该客滚船的车辆系固效果是否满足要求，当发现有不满足要求的项目时，可修改相关系固数据再进行校核，直到满足要求为止。该系统在实船上应用并取得了良好的效果。