恶劣海况下火车轮渡运输技术及运动响应试验和仿真研究

陆松，吴昊，马玉坤

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081；2.中国人民解放军96911部队，北京 100011）

0 引言

我国目前有琼州海峡火车轮渡和烟大火车轮渡2条跨海火车轮渡线正在运营[1-3]，海上运输技术条件与陆上铁路运输区别较大。海上运输过程中，影响运行安全的主要因素包括海况条件、船舶的振动、摇摆和冲击等。和陆上运输相比，海上运输由于船舶体积较大及浪涌周期的影响，上下、左右摇摆幅度相对较大，且摇摆频率远小于铁路车辆在铁轨上摇摆频率，故海上运输时垂向和横向加速度值较纵向要大，3 个方向加速度最大值同时出现的概率比陆上铁路运输时高很多[4-5]，因此，火车海上运输时货物的运输技术要求与陆上运输时技术要求会有一定差别。

按照海事、港口等部门规定，琼州海峡火车轮渡和烟大火车轮渡在气象条件达到蒲氏8 级风力的恶劣天气条件时禁止航行。为研究跨海火车轮渡航程中遇到偶发的恶劣海况(蒲氏6～8 级风，浪高3～4.5 m)时[6]，渡船实际运输技术参数及现有装载加固方案是否满足恶劣海况下航运的安全要求，中国国家铁路集团有限公司等单位先后组织多次跨琼州海峡、渤海火车轮渡运输技术条件专项试验，测试跨海火车轮渡在临近8 级风的恶劣海况下航行时加速度值、摇摆角等运输参数变化情况，并对试验航行中打舵操作时的渡船运动响应与恶劣海况下渡船运动响应仿真模拟计算结果进行对比分析，验证恶劣海况渡船航行姿态仿真模拟可行性，为确定恶劣海况下火车轮渡运输技术条件提供支撑。

1 火车轮渡运输基本技术参数理论研究

1.1 理论计算

海上运输时，货物的加速度等运输技术参数变化，主要是由于渡船的摇摆造成的，由于货物单元的重量相对于整船来说所占比例很小，货物本身物理特性及加固状态对其加速度等运输技术参数影响较小，船上所装货物受到的惯性加速度值大小决定于其在渡船上的位置，并随装载位置距渡船摇摆中心的横向距离变化而变化，通常纵、垂向加速度最大值位于船艏、船艉船舷最高位置，横向加速度最大值位于船舯船舷处[7]。火车轮渡采用的渡船是多功能滚装船，一般底层设计为火车甲板，上层还有汽车甲板和旅客甲板，不同的装载组合会影响船舶的稳性高度，稳性高度过大，渡船的摇摆角度及角加速度也大，会对运输货物的加速度产生影响。

按国际海事组织在《货物堆装和系固安全操作规则(CSS CODE）》[8]中提出的海运船舶基本加速度值的计算方法，综合考虑渡船船长、船宽、初稳性高度、航速等因素，对全年在无限航区航行的渡船，海上运输时基本加速度理论值如表1所示。

以琼州海峡火车轮渡采用的“粤海铁2 号”[9]渡船为例，船总长165.4 m，型宽22.6 m，排水量12 400 t，设计航速16 节，抗风浪等级8 级，初稳性高度2.086 m，其火车甲板相当于表1中的中间甲板，按国际海事组织推荐算法，“粤海铁2 号”渡船火车甲板基本加速度极值如表2所示。

表1 基本加速度理论值 m/s2Tab.1 Theoretical value of basic acceleration

表2 “粤海铁2号”渡船火车甲板基本加速度极值 gTab.2 Extreme value of basic acceleration on train deck of “Yuehaitie No.2 Ferry”

1.2 船模型耐波性试验结果

渡船设计时为取得可靠的设计效果，需要在实验室内进行船模型耐波性试验，“粤海铁2 号”渡船船模试验中，共布置6 个加速度传感器，其中垂向3 个，分别位于船艏、船舯、船艉；纵向2 个，位于船艏、船艉；横向1 个，位于船舯。整理船模型耐波性试验各向加速度和横摆角最大值、位置及工况，得到船模耐波性试验最大加速度和横摆角如表3所示。

表3 船模耐波性试验最大加速度和横摆角Tab.3 Maximum acceleration and swing angle of ferry model in seakeeping test

2 恶劣海况条件下火车轮渡运输试验

2.1 琼州海峡火车轮渡试验

试验用船为“粤海铁2 号”渡船，火车甲板共4 股道，每股道有效长度145 m，可运输敞车、平车40 节或客车18 节。参试车辆共33 辆，运输铁路常运代表性的货物如袋装货物、集重货物、长大货物、易碎货物、集装箱等。测试仪器布置在渡船火车甲板的船艏、船舯、船艉处，用于测试渡船恶劣海况下航行时不同位置处纵向、垂向、横向的加速度值和纵向、垂向、横向摇摆角度及摇摆周期等参数，并记录试验时渡船装载情况、气象条件、海洋环境条件等参数。

试验按正常航行速度在琼州海峡往返各一次，试验期间测得最大风速为东北风15.3 m/s，约7.5级。试验过程中记录船体横向加速度ax、垂向加速度az、纵向加速度ay、俯仰角β、横摆角θ的测试结果，得到恶劣海况试验渡船各向加速度及摇摆角如图1 所示，航行过程中横向加速度变化范围为-0.15～0.15 g，垂向加速度变化范围-0.05～0.05 g，纵向加速度变化范围-0.022～-0.012 g，船体俯仰角变化范围-0.65～0.45°，船体横摆角变化范围-4.5～2.5°。恶劣海况试验船体各向加速度及摇摆角最大值如表4所示。

表4 恶劣海况试验船体各向加速度及摇摆角最大值Tab.4 Maximum acceleration and swing angle of the ferry in all directions during severe sea condition test

图1 恶劣海况试验渡船各向加速度及摇摆角Fig.1 Acceleration and swing angle of the ferry in all directions during severe sea condition test

2.2 烟大火车轮渡试验

烟大火车轮渡试验用船为“中铁渤海2 号”，船长182.6 m，宽24.8 m，满载排水量17 548 t，适航风级蒲氏8 级以下。火车甲板共设5 股道，每条股道有效长140 m，一次可装载铁路货车50辆，试验时装载车辆41 辆。试验过程中最大风力北风6～7 级。试验过程中，测得船体横向加速度变化范围为-0.02～0.03 g，船体垂向加速度变化范围-0.03～-0.1 g，船体横向摇摆角变化范围-4～-1.5°。

2.3 理论计算、船模试验和实际海况试验结果对比

以琼州海峡火车轮渡为例，对比分析船体纵向加速度、垂向加速度、横向加速度和船横摆角的理论计算、船模试验结果和实际船体试验测试结果，得到理论计算、船模试验和实际海况试验结果对比如表5 所示，可见理论计算的最大加速度数值大于船模试验结果，实际海况试验测试数值小于理论值和船模试验结果。其中特殊海况试验测试的船体纵向加速度最大值0.021 g，只有理论计算值的17%；垂向加速度测试最大值0.042 g，只有理论计算值的5.8%；横向加速度测试最大值0.149 g，只有理论计算值的30%；横摆角的测试结果3.732º，也远小于船模试验的18.26º。经分析认为国际海事组织推荐的计算方法和船模型耐波性试验条件都是基于远洋航行海况条件，与琼州海峡的近海海况条件相差较大，导致理论计算数据与实际海况试验结果差别较大。

表5 理论计算、船模试验和实际海况试验结果对比Tab.5 Comparison of theoretically calculated value,seakeeping test value,and actual test value

3 恶劣海况条件航行运动响应模拟试验及仿真研究

3.1 恶劣海况条件航行运动响应模拟试验

按照火车轮渡设计要求及海事、港口等部门规定，琼州海峡火车轮渡和烟大火车轮渡在气象条件达到蒲氏8 级风力的恶劣天气条件时禁止航行，故恶劣海况条件试验组织困难，且安全风险较大，研究采用在试验航行中打舵操作方式来模拟恶劣海况下渡船运动响应，探索以模拟恶劣海况运动响应试验方式代替实际恶劣海况条件试验的可行性。为保证试验一致性，试验用船仍然采用“粤海铁2 号”渡船，试验时海上风力3～4 级，试验采用多次满舵转弯的方式增加渡船的运动幅度，模拟恶劣海况下渡船运动响应，恶劣海况运动响应模拟试验航行轨迹图如图2所示。

图2 恶劣海况运动响应模拟试验航行轨迹图Fig.2 Navigation diagram of simulation test under severe sea conditions

恶劣海况航行运动响应模拟试验的加速度传感器、角度传感器布置与恶劣海况试验测试相同。模拟航行过程中，得到恶劣海况模拟试验渡船各向加速度及摇摆角如图3 所示。航行过程中横向加速度变化范围-0.15～0.1 g，垂向加速度变化范围-0.025～0.015 g，船体纵向加速度变化范围-0.06～-0.01 g，船体俯仰角变化范围0～1.2°，船体横摆角变化范围0～4.8°。恶劣海况模拟试验测试结果如表6所示。

表6 恶劣海况模拟试验测试结果Tab.6 Results of simulation test of severe sea conditions

图3 恶劣海况模拟试验渡船各向加速度及摇摆角Fig.3 Acceleration and swing angle of the ferry in all directions under severe sea conditions

3.2 恶劣海况条件航行运动响应仿真计算

以“粤海铁2 号”渡船为仿真计算主体，模拟其在恶劣海况条件下航行时运动响应，并与恶劣海况条件实际试验时测量值对比分析，研究打舵操作引起的运动响应是否达到恶劣海况条件下渡船的运动响应，评估的运动参数主要为横向加速度、垂向加速度、横摆角和俯仰角。渡船水动力计算模型如图4所示，网格数为7 428。

图4 渡船水动力计算模型Fig.4 Hydrodynamic calculation model of the ferry

仿真模拟计算时，航行工况设计为航速9～13 节，浪向0～180°，浪高2.0～4.5 m、波浪周期6～14 s。以航速13节航行工况为例，其仿真计算结果与实际试验测试得到航速13 节、浪高2.0～4.5 m 海况下模拟与试验对比结果如图5 所示，图中周向代表浪向，船艏迎浪为180°，浪向间隔15°，径向代表波浪周期。图中每个点表示一个海况，以浪高3.0 m图为例，径向10、周向30的点代表浪高3.0 m、波浪周期10 s、浪向30°的海况。图中运动响应曲线所围的区域表示在该区域海况下，试验时打舵操作引起的运动响应不小于该海况下的运动响应，所围区域的大小表示试验中打舵操作引起的运动响应满足该海况下运动响应的水平。

图5 航速13节浪高2.0～4.5 m海况下模拟与试验对比结果Fig.5 Comparison of simulation and test at speed of 13 kn and wave height of 2.0～4.5 m

3.3 研究对比总结

分析恶劣海况条件航行运动响应模拟试验及仿真研究结果，可以得到如下结论。

（1）在浪高2.0～3.0 m 海况下，试验时打舵操作产生的横向加速度在大部分海况条件下都能满足，随着浪高的增加，满足的海况范围逐渐减小，且集中在艏斜浪、艉斜浪海况下。

（2）在浪高2.0～3.0 m 海况下，试验时打舵操作产生的垂向加速度在艉斜浪的部分海况条件下能满足，在浪高大于3.0 m 恶劣海况下，只有少数随浪(浪向角0°)海况下才能满足。

（3）在浪高2.0～3.0 m 海况下，俯仰角在艏斜浪、艉斜浪的少部分海况下满足，在浪高大于3.0 m恶劣海况下，只有少数迎浪、随浪海况下才能满足。

（4）横摆角主要在迎浪、艏斜浪的部分海况下可以满足，随着浪高的增加，能满足的海况范围逐渐减少。

（5）航行运动响应仿真计算显示，浪高小于3.0 m(6级风)海况下，横向加速度试验测量值与相应海况计算值相当，垂向加速度、横摆角、俯仰角试验测量值与部分海况计算值相当。浪高3.0 m(6级风)至浪高4.5 m(8级风)恶劣海况下，只有横向加速度、横摆角的部分试验测量值与相应海况计算值相当。

4 结束语

现行火车轮渡运输技术条件理论计算方法及船模型耐波性试验条件都是基于远洋航行海况条件，计算工况与琼州海峡、渤海海峡等近海海况条件相差较大，相关计算方法不能完全适用于近海火车轮渡，应采用实际海况条件试验。琼州海峡、渤海海峡恶劣海况试验时纵向、横向、垂向加速度试验测量值小于铁路合作组织推荐的铁路运输加速度值，也小于按《铁路货物装载加固规则》[10]折算的加速度值，说明按现行《铁路货物装载加固规则》等规定装载可满足恶劣海况条件火车轮渡安全运输要求。采用打舵操作模拟渡船恶劣海况航行时运动相应试验结果只有部分试验测量值与相应海况模拟计算值相当，打舵操作方式尚不能完全模拟实际恶劣海况条件。