大水位差碼頭新型電磁系泊裝置

高譚坤，王多垠，張 可

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074)

大水位差碼頭新型電磁系泊裝置

高譚坤，王多垠，張 可

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074)

分析現(xiàn)有系泊系統(tǒng)的不足，討論了電磁技術(shù)在碼頭系泊系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，并借鑒國(guó)內(nèi)外電磁技術(shù)在水運(yùn)事業(yè)中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新的碼頭電磁系泊裝置。詳細(xì)介紹電磁系泊裝置的基本構(gòu)成和工作原理，并以新型電磁系泊裝置在浮式系靠泊結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用為例，重點(diǎn)進(jìn)行了系纜力的驗(yàn)算。結(jié)果表明:電磁系泊裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制作、操作方便等特點(diǎn)，能夠提高系靠泊效率、改善碼頭結(jié)構(gòu)受力。

電磁系泊;大水位差;碼頭系泊

西部大開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施以來，西部地區(qū)內(nèi)河港口發(fā)展迅速，尤其是三峽工程建成蓄水后，西部水運(yùn)更是得到了飛躍的發(fā)展。但同時(shí)新形勢(shì)下的水文條件對(duì)碼頭的建設(shè)也帶來了新的挑戰(zhàn)。如年水位差超過30 m、日變幅水位達(dá)5 m甚至以上等等，而現(xiàn)有系靠船設(shè)施難以滿足如此大變幅水位的船舶安全?？亢脱b卸過程的連續(xù)性［1-3］。

通過對(duì)電磁技術(shù)在碼頭系靠船設(shè)施中應(yīng)用的探討，提出一種新型碼頭系泊裝置，實(shí)現(xiàn)船舶快速靠、離碼頭，促進(jìn)碼頭的自動(dòng)化程度的提高，為現(xiàn)代碼頭建設(shè)提供新的參考。

1 現(xiàn)有系泊結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)纜繩系泊

為滿足現(xiàn)代水運(yùn)事業(yè)的需要，長(zhǎng)江上游碼頭大多采用直立式結(jié)構(gòu)，其系泊結(jié)構(gòu)又多采用分層系纜，以滿足豐、枯水期船舶均能靠泊［4］。三峽水庫(kù)建成后，大型集裝箱船可直達(dá)重慶，但由于日變幅水位過大，大中型集裝箱船裝卸過程中需幾次系纜和解纜，而目前船舶系解纜都是人工操作，比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響了裝卸的連續(xù)性，進(jìn)而降低了裝卸效率。

1.2 電磁系泊

目前，電磁技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟［5］，電磁技術(shù)已被應(yīng)用于系泊系統(tǒng)中。在歐洲，有些海港碼頭采用電磁系泊裝置來固定船舶，該裝置操作簡(jiǎn)單，大大縮短了系泊時(shí)間(圖1)。在國(guó)內(nèi)，郭偉明，等［6］提出船舶磁力系泊裝置，用磁力代替纜繩進(jìn)行系泊，這種系泊裝置設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但也存在一定的的局限性:該裝置只適用于中小船型，對(duì)于大型船舶的?？咳匀灰蕾噦鹘y(tǒng)的纜繩系泊;若要實(shí)現(xiàn)這種船舶自動(dòng)靠離碼頭，不僅要對(duì)船舶進(jìn)行改造，還要對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)實(shí)行大面積改造，造價(jià)高且可行性低。

2 新型電磁系泊裝置

針對(duì)現(xiàn)有系泊結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，借鑒船舶磁力系泊裝置的優(yōu)點(diǎn)，筆者提出將磁力吸盤安裝在碼頭前沿，并結(jié)合碼頭前沿情況加以適當(dāng)改造，形成一種新的電磁系泊構(gòu)件，替代傳統(tǒng)的纜繩系泊。電磁系泊裝置主要由電磁式吸盤和彈性減震器組成(圖2)。

圖1 海港電磁系泊裝置Fig.1 Harbor electromagnetic mooring device

圖2 電磁系泊示意圖Fig.2 Diagram of electromagnetic mooring

2.1 電磁式吸盤

吸盤有電磁式和永磁式等多種型式，由于電磁式吸盤可控制磁力的大小，能滿足不同船型對(duì)系纜力的要求，故新型電磁系泊構(gòu)件采用電磁式吸盤。為滿足縱向系纜力的要求，電磁式吸盤的斷面被設(shè)計(jì)成梯形(圖3)，并在電磁吸盤的外側(cè)加一層橡膠護(hù)墊，以降低船體對(duì)吸盤的沖擊作用和吸合時(shí)的噪音。

圖3 電磁系泊裝置俯視圖Fig.3 Top view of electromagnetic mooring device

2.2 彈性減震器

電磁式吸盤和碼頭結(jié)構(gòu)之間采用4組彈性減震器和鋼繩連接(圖3)。每組彈性減振器的兩端分別通過球形連接頭與吸盤、碼頭連接，中間的主要部件是彈簧，球形連接頭之間由鋼繩連接(圖4)。在船舶靠岸時(shí)起到緩沖作用。4組彈性減振器按前、后、上、下均勻安裝，組成彈性半穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，吸盤可以在前、后、上、下方能有一定的移動(dòng)空間(圖5)，這樣就能適應(yīng)裝卸過程中船體的傾斜。另外，在電磁系泊裝置的外表采用密封防護(hù)鍍層，起到密封防護(hù)的作用，使整個(gè)磁力系泊裝置除吸合面外全部被密封，并防止彈簧減振器、球形連接器等構(gòu)件直接暴露而受水、灰塵、空氣等的影響腐蝕，從而延長(zhǎng)這些構(gòu)件的使用壽命［6］。

2.3 工作過程

船舶靠岸時(shí)，吸盤通電產(chǎn)生磁力，將船系住。船舶離岸時(shí)，斷開電源即可。以上過程完全可以通過電子程序?qū)崿F(xiàn)智能控制，大大縮短了靠離碼頭和移泊的時(shí)間。

2.4 電磁系泊構(gòu)件的選定

在確定電磁系泊構(gòu)件的尺寸時(shí)，首先，按照J(rèn)TJ 215—98《港口工程荷載規(guī)范》［7］計(jì)算出系纜力:河港透空式系船靠船結(jié)構(gòu)，水流對(duì)船舶作用產(chǎn)生的水流力的船首橫向分力Fxsc船尾橫向分力Fxmc及縱向分力Fyc可分別按式(1)、式(2)和式(3)計(jì)算。

式中:Fxmc、Fxmc分別為水流對(duì)船首橫向分力和船尾橫向分力，kN;Cxsc、Cxmc分別為水流力船首分力系數(shù)和船尾分力系數(shù);ρ為水的密度;B'為船舶吃水線以下的橫向投影面積，m2。

系纜力標(biāo)準(zhǔn)值N及其垂直于碼頭前沿線的橫向分力Nx和平行于碼頭前沿線的縱向分力Ny可按式(4)～式(6)計(jì)算:式中:F為電磁吸力，kN;μ為真空磁導(dǎo)率，μ=4π×10-7;S為磁路截面積，m2;Kf為漏磁系數(shù)，一般為1.2～5.0;δ為氣隙長(zhǎng)度，mm;N 為線圈匝數(shù);I為電流。

式中:N、Nx、Ny分別為系纜力標(biāo)準(zhǔn)值及其橫向、縱向分力，kN;∑Fx、∑Fy分別為可能同時(shí)出現(xiàn)的風(fēng)和水流對(duì)船舶作用穿上的橫向分力總和及其縱向分力總和，kN;n為計(jì)算船舶同時(shí)受力的系船柱數(shù)目;K為系船柱受力分布不均勻系數(shù)，當(dāng)實(shí)際受力的系船柱數(shù)目n=2時(shí)，K取1.2，n ＞ 2時(shí)，K取1.3;α為系船纜的水平投影與碼頭前沿線所成的夾角，(°);β為系船纜與水平面之間的夾角，(°)。

然后再按照電磁吸力計(jì)算公式(7)反算吸盤的面積［8］。

3 實(shí)例應(yīng)用

以新型電磁系泊裝置在浮式系靠泊結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用為例(圖6)，具體說明新型電磁系泊裝置的特點(diǎn)。對(duì)于浮式系靠泊結(jié)構(gòu)，考慮靠船樁的受力特點(diǎn)，適當(dāng)增加浮筒的長(zhǎng)度，以避免應(yīng)力集中，使靠船樁受力更加均勻。另外，為了防止由船體傾斜引起的浮筒被卡的問題，在浮筒的兩邊加上兩組輪子，保證了浮筒順暢隨水位上下移動(dòng)(圖7、圖8)。

圖6 電磁系泊裝置在靠船樁上的應(yīng)用Fig.6 Zingserv of electromagnetic mooring device applied to dolphin piers

以3 000 t級(jí)集裝箱船?？?jī)?nèi)河碼頭為例來驗(yàn)算電磁系泊構(gòu)件對(duì)系纜力的滿足情況。碼頭前水流速度按最大流速5 m/s考慮。將數(shù)據(jù)代入求得:水流對(duì)船舶作用產(chǎn)生的水流力船首、尾橫向分力分別為:

水流對(duì)船舶作用產(chǎn)生的水流力縱向分力:

進(jìn)而求得系纜力標(biāo)準(zhǔn)值:

N=458.06 kN

系纜力垂直于碼頭前沿線的橫向分力:

Nx=229.03 kN

系纜力平行于碼頭前沿線的縱向分力:

Ny=396.69 kN

代入式(7)計(jì)算得吸盤的面積為:

S=4 m2。

4 結(jié)語

電磁技術(shù)的發(fā)展已相當(dāng)成熟，而電磁系泊裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制作、操作方便，因此將其應(yīng)用到碼頭系泊系統(tǒng)中是完全可行的。與傳統(tǒng)系泊方式相比，電磁系泊具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)用電磁系纜構(gòu)件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，船舶靠、離碼頭的時(shí)間大大縮短，系靠泊效率得到很大提高;

2)適當(dāng)減小了碼頭所受撞擊力，增加了碼頭結(jié)構(gòu)的安全系數(shù);

3)適用于各種結(jié)構(gòu)形式的碼頭，能滿足各種船型對(duì)系纜力的需求。電磁系泊構(gòu)件的應(yīng)用，取代了幾千年纜繩系泊的方式，極大地縮短了系泊的時(shí)間，節(jié)省了人力物力。

［1］吳友仁，王多垠，吳宋仁，等.長(zhǎng)江上游港口碼頭結(jié)構(gòu)型式及其發(fā)展趨勢(shì)［J］.港工技術(shù)，2005(4):22-24.

WU You-ren，WANG Duo-yin，WU Song-ren，et al.The structure and the development trend of the wharf and port in upstream of yangtze river［J］.Port Engineering，2005(4):22-24.

［2］王多垠，田建柱.大水位差架空直立式集裝箱碼頭結(jié)構(gòu)型式研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，27(1):139-143.

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［4］方育平.大水位差地區(qū)高樁梁板碼頭靠船構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式［J］.水運(yùn)工程，1996(5):14-16.

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［6］郭偉明，郭曉曉.實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)靠離碼頭的磁力系泊裝置［J］.中國(guó)艦船研究，2006，1(2):42-44.

GUO Wei-ming，GUO Xiao-xiao.Magnetic control mooring system for ships alongside and leave wharf［J］.The Ship Research in Chinese，2006，1(2):42-44.

［7］JTJ 215—98港口工程荷載規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1998.

［8］JTJ 297—2001碼頭附屬設(shè)施技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2001.

New Electromagnetic Mooring Component of Large Water－h(huán)ead Wharf

GAO Tan-kun，WANG Duo-yin，ZHANG Ke
(School of River ＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

The shortcomings of the existing mooring system and the possibility of the application of electromagnetic technology in wharf mooring system are analyzed and the advantages of the electromagnetic technology used in water transportation at home and abroad are consulted.In addition，the basic composition and operation principles of a kind of electromagnetic mooring component are introduced in detail and we take the application of new electromagnetic mooring component in floating wharf for example to introduce the checking computations of mooring force.Finally，we got the conclusion that new electromagnetic mooring component，with the characteristics of simple structure，easy to manufacture and convenient operation，can improve the efficiency and the structural stress of dock port.

electromagnetic mooring component;large water-head;wharf mooring

U653.2

A

1674-0696(2011)03-0441-04

2011-03-25;

2011-03-31

重慶交通大學(xué)研究生部創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2009-08)

高譚坤(1984-)，男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事港口、海岸及近海工程方面的研究。E-mail:gaotankun@yahoo.com.cn。