錨鏈直徑對(duì)船舶錨泊能力的影響

胡曉芳，丁德勇

1 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

2 海軍裝備部駐沈陽(yáng)地區(qū)軍事代表局，遼寧沈陽(yáng)110031

0 引 言

錨裝置是保證船舶安全錨泊的重要設(shè)施。船舶在錨泊期間，主要依靠錨產(chǎn)生抵抗環(huán)境力的抓力，由錨鏈傳遞到船舶上，從而實(shí)現(xiàn)錨泊。在以往的船舶設(shè)計(jì)中，都是按照船級(jí)社的要求，根據(jù)計(jì)算得到的舾裝數(shù)對(duì)照表格來(lái)選取相應(yīng)等級(jí)的錨與錨鏈。隨著制造業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在已能生產(chǎn)具有更高破斷負(fù)荷的海洋系泊鏈，具有利用鏈徑更小的海洋系泊鏈代替現(xiàn)有規(guī)范中電焊錨鏈的能力，同時(shí)還能減輕錨鏈重量、縮小錨鏈艙所需容積、減輕船總體的負(fù)擔(dān)。

目前，有關(guān)錨鏈在錨泊狀態(tài)受力方面的文獻(xiàn)一般都是將錨鏈簡(jiǎn)化為一根曲線進(jìn)行計(jì)算［1-5］，忽略了鏈環(huán)自身不可彎曲的特點(diǎn)。本文將以單個(gè)鏈環(huán)為微元對(duì)錨鏈在錨泊狀態(tài)所形成的懸鏈線方程進(jìn)行推導(dǎo)，利用方程完成不同鏈徑錨鏈在拋錨長(zhǎng)度、最大可承受環(huán)境力、最大拋錨深度等方面的計(jì)算分析，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行理論分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行錨鏈直徑對(duì)船舶錨泊能力影響的分析，提出選取錨鏈直徑所應(yīng)考慮的主要問(wèn)題。

1 建立方程

船舶在拋錨系留時(shí)，錨鏈呈懸鏈狀態(tài)。由于錨鏈的柔性較好、質(zhì)量均勻，因此可以視作簡(jiǎn)單的懸鏈線，如圖1［6］所示。

圖1 錨鏈懸鏈狀態(tài)示意圖Fig.1 Sketch map of anchor chain at anchorage

作用于船舶的環(huán)境力的合力H 為水平方向，該力通過(guò)錨鏈作用于錨。在不發(fā)生走錨時(shí)，錨的水平抓力H0與環(huán)境力H 平衡，即H0=H 。一般情況下，拋錨長(zhǎng)度應(yīng)保證懸鏈線在錨點(diǎn)處與海底相切(θ0=0)，在這種情況下，錨鏈與錨連接處僅受到水平力H 的作用(V0=0)，此時(shí)，錨鏈的重力全部由艦船支撐。設(shè)每個(gè)鏈環(huán)的重量為g，鏈環(huán)內(nèi)部長(zhǎng)度為L(zhǎng)，鏈環(huán)總數(shù)量為n，錨鏈的總長(zhǎng)度為s，則可以計(jì)算得到系錨點(diǎn)處垂直方向的力V 與水平線的夾角θ，如式（1）所示。

假定環(huán)境力H 和拋錨深度y 不變，以普通鏈環(huán)為單元進(jìn)行受力分析，如圖2 所示。

圖2 鏈環(huán)懸鏈狀態(tài)受力分析圖Fig.2 Force resolution of anchor chain link at anchorage

單個(gè)鏈環(huán)受力包括鏈環(huán)兩端的張力Ti和Ti+1，以及自身的重力與浮力（為簡(jiǎn)化計(jì)算，略去單個(gè)鏈環(huán)受到的浮力，則單個(gè)鏈環(huán)的重力與浮力的差值等于g），其受力平衡關(guān)系如式（2）所示。

拋錨深度y 與鏈環(huán)個(gè)數(shù)n 的關(guān)系如式（3）所示。

錨點(diǎn)與系錨點(diǎn)之間的水平距離x 與鏈環(huán)個(gè)數(shù)n 的關(guān)系如式（4）所示。

在環(huán)境力H 、拋錨深度y 一定的情況下，選擇一定的鏈徑即可利用式（1）～式（4）完成所拋鏈環(huán)個(gè)數(shù)的計(jì)算，進(jìn)而得到拋錨長(zhǎng)度、水平距離等參數(shù)。

2 計(jì)算分析

2.1 設(shè)計(jì)輸入

以某萬(wàn)噸級(jí)水面船的錨系設(shè)計(jì)為例，其舾裝數(shù)為1 908。根據(jù)《鋼制海船入級(jí)與建造規(guī)范》，可選用總長(zhǎng)度為577.5 m 的錨鏈，錨鏈可選用Φ =76 mm 的AM1 級(jí)錨鏈，或Φ = 66 mm 的AM2 級(jí)錨鏈，或Φ=58 mm 的AM3 級(jí)錨鏈，并相應(yīng)選配錨機(jī)及其他錨系設(shè)備。

假定船舶受到的環(huán)境力H = 150 kN，拋錨深度y = 100 m，錨鏈長(zhǎng)度均為302.5 m，各錨鏈所對(duì)應(yīng)的錨均為自重5 610 kg 的霍爾錨，分別對(duì)表1 所示各鏈徑錨鏈進(jìn)行拋錨長(zhǎng)度、最大可承受環(huán)境力或拋錨深度的計(jì)算。

表1 計(jì)算鏈徑參數(shù)表Tab.1 Parameters of anchor chain link

2.2 拋錨長(zhǎng)度

當(dāng)船舶受到的環(huán)境力H = 150 kN，拋錨深度y= 100 m 時(shí)，對(duì)各鏈徑錨鏈進(jìn)行拋錨長(zhǎng)度的計(jì)算，結(jié)果如表2所示，所形成的懸鏈線如圖3所示。

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，隨著錨鏈鏈徑的減小，達(dá)到同樣錨泊力所需的拋錨長(zhǎng)度s 明顯增大，錨泊點(diǎn)的水平距離x 逐漸增大，但系錨點(diǎn)處的拉力卻有所減小。這是由于鏈徑減小后，每個(gè)鏈環(huán)的自重有所減少，根據(jù)拋錨狀態(tài)錨鏈的懸鏈線方程［9］（式（5）），鏈環(huán)自重的減少會(huì)引起懸鏈系數(shù)a 的增大，從而造成拋錨長(zhǎng)度和水平距離的增加。在系錨點(diǎn)的拉力方面，雖然鏈徑小的錨鏈拋錨長(zhǎng)度較長(zhǎng)，但鏈徑小的鏈環(huán)重量較輕，兩者的乘積（即所拋錨鏈的總重）較小，因而系錨點(diǎn)處的垂直分力V 較小。在環(huán)境力H 一定的情況下，系錨點(diǎn)處的拉力較小。

表2 拋錨長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果對(duì)照表Tab.2 Lengths of anchor chains with different diameter

圖3 不同鏈徑錨鏈懸鏈線對(duì)照?qǐng)D（水深相同）Fig.3 Catenarys of anchor chains with different diameters（determined depth of water）

從船舶錨泊的實(shí)際需求出發(fā)，在拋錨水深一定的情況下，若可供單艘船舶錨泊的水域較大，可選用相對(duì)較細(xì)的錨鏈；若可供單艘船舶錨泊的水域受限，則需選用相對(duì)較粗的錨鏈，且受限水域的面積越小，所配錨鏈的鏈徑應(yīng)越粗。

2.3 最大可承受環(huán)境力

當(dāng)船舶的拋錨深度y = 100 m，拋錨長(zhǎng)度為280 m 時(shí)，對(duì)各鏈徑錨鏈進(jìn)行所能承受的最大環(huán)境力的計(jì)算，結(jié)果如表3 所示。

表3 最大環(huán)境力計(jì)算結(jié)果對(duì)照表Tab.3 Environmental forces provided by anchor chains with different diameters

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，隨著錨鏈鏈徑的減小，同樣長(zhǎng)度的錨鏈所能承受的最大環(huán)境力明顯減小，相應(yīng)所需的系錨拉力也隨之迅速減小。這是由于拋錨深度和拋錨長(zhǎng)度確定之后，不同鏈徑的錨鏈形成了同樣的懸鏈線，在系錨點(diǎn)處所形成的角度也相同。由式（6）可見(jiàn)，在系錨點(diǎn)處錨鏈傾角一定的情況下，錨鏈所能承受環(huán)境力的能力與其自身重力成比例，因此，所配錨鏈的鏈徑越大（即錨鏈自重越重），所能承受的環(huán)境力便越大。

從船舶錨泊的實(shí)際情況出發(fā)，由于上述各鏈徑錨鏈所系的均為自重5 610 kg 的霍爾錨，該型錨的抓重比為3［10］，即其所能產(chǎn)生的最大拉力為165 kN，而計(jì)算所得的各鏈徑錨鏈所能承受的最大環(huán)境力均超過(guò)了165 kN，表明實(shí)際使用中不可能發(fā)生錨泊力大于165 kN 的情況，所以上述各鏈徑的錨鏈均能滿足實(shí)際使用需求。但是，根據(jù)國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)慣例［11-15］，當(dāng)選用大抓力錨時(shí)，其錨重可取為霍爾錨的75%。例如，用AC-14 型大抓力錨代替霍爾錨時(shí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［16］，可選用名義質(zhì)量為4 210 kg 的AC-14 型大抓力錨。由于該型錨的抓重比為8［17］，則其所能產(chǎn)生的最大拉力為330 kN，此時(shí)，僅AM1 型錨鏈能滿足錨泊要求。由此可見(jiàn)，當(dāng)選用大抓力錨，在確定錨鏈鏈徑時(shí)，應(yīng)根據(jù)船舶所需承受的最大環(huán)境力要求及所選錨能產(chǎn)生的最大拉力綜合決定。

2.4 最大拋錨深度

當(dāng)船舶受到的環(huán)境力H = 150 kN，拋錨長(zhǎng)度為280 m 時(shí)，對(duì)各鏈徑錨鏈進(jìn)行拋錨深度的計(jì)算，結(jié)果如表4 所示，所形成的懸鏈線如圖4 所示。

表4 拋錨深度計(jì)算結(jié)果對(duì)照表Tab.4 Depths of water supported by anchor chains with different diameters

圖4 不同鏈徑錨鏈懸鏈線對(duì)照?qǐng)D（拋錨長(zhǎng)度相同）Fig.4 Catenaries of anchor chains with different diameters（length of anchor chain is determined）

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，隨著錨鏈鏈徑的減小，拋同樣長(zhǎng)度的錨鏈，所能適應(yīng)的拋錨深度明顯減小，錨泊點(diǎn)的水平距離逐漸增大，但系錨點(diǎn)處的拉力有所減小。這是由于鏈徑減小后，每個(gè)鏈環(huán)的自重有所減少，根據(jù)系錨點(diǎn)的受力方程（式（7）），在環(huán)境力與拋錨長(zhǎng)度一定的情況下，鏈環(huán)自重與鏈環(huán)長(zhǎng)度的比值g/L 的減小會(huì)引起懸鏈系數(shù)a 的減小，從而造成拋錨深度的減小和水平距離的增長(zhǎng)。在系錨點(diǎn)的拉力方面，錨鏈鏈徑的減小會(huì)引起錨鏈總重量的減輕，而各鏈徑錨鏈所承受的環(huán)境力均相同，因此，錨鏈總重量越重其系錨點(diǎn)拉力便越大。

從船舶錨泊的實(shí)際情況出發(fā)，大部分錨地的水深在20 m 左右，對(duì)于這一情況，所述各鏈徑錨鏈均能滿足拋錨要求。即使是深水港，由于其水深一般不超過(guò)100 m，所選各鏈徑錨鏈也能滿足拋錨要求。但對(duì)于特殊情況（如緊急拋錨），則應(yīng)根據(jù)所配錨鏈的鏈徑判斷是否具備拋錨條件。

2.5 對(duì)比分析

分別從拋錨長(zhǎng)度、最大可承受環(huán)境力、最大拋錨深度等3 個(gè)方面對(duì)錨鏈直徑對(duì)船舶錨泊能力進(jìn)行綜合對(duì)比，如表5 所示。

表5 錨鏈直徑對(duì)艦船錨泊能力影響對(duì)照表Tab.5 Anchoring capability provided by anchor chains with different diameters

由上表所列的結(jié)果可見(jiàn)，無(wú)論是拋錨長(zhǎng)度、最大可承受環(huán)境力還是最大拋錨深度，都呈現(xiàn)出了同樣的結(jié)果，即在錨鏈長(zhǎng)度相同時(shí)，鏈徑越大的錨鏈錨泊能力越強(qiáng)。其中，在最大可承受環(huán)境力方面，若采用霍爾錨等普通錨，其最大抓力一般不會(huì)超過(guò)規(guī)范所規(guī)定的對(duì)應(yīng)鏈徑錨鏈所能達(dá)到的最大可承受環(huán)境力，但若采用大抓力錨，則可能會(huì)產(chǎn)生所配鏈徑較小的錨鏈無(wú)法發(fā)揮出錨所能產(chǎn)生最大抓力的情況；在拋錨深度方面，按照規(guī)范所規(guī)定的錨鏈長(zhǎng)度配置錨鏈一般能滿足錨地、港口等水域的拋錨要求。考慮到配置鏈徑較大的錨鏈需要相應(yīng)配置更大的錨機(jī)等錨系設(shè)備，也需要更大的錨鏈艙存儲(chǔ)錨鏈，會(huì)占用更多的船總體資源；因此在明確船舶所應(yīng)承受的最大環(huán)境力后，可綜合錨地條件、錨泊所需水域大小、所配錨的最大抓力等來(lái)最終確定合適的錨鏈直徑。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用以單個(gè)錨鏈鏈環(huán)為微元所建立的懸鏈線方程，分別從拋錨長(zhǎng)度、最大可承受環(huán)境力及最大拋錨深度等3 個(gè)方面對(duì)不同鏈徑錨鏈的錨泊能力進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明，鏈徑越大的錨鏈其錨泊能力越強(qiáng)。從其本質(zhì)分析，是自重越重的錨鏈其錨泊能力越強(qiáng)。對(duì)實(shí)際使用而言，若采用霍爾錨等非大抓力錨，或?qū)﹀^泊水域面積無(wú)明確要求、沒(méi)有在深水中拋錨的特殊需求等，可以選用鏈徑相對(duì)較細(xì)的海洋系泊鏈代替目前規(guī)范中規(guī)定的電焊錨鏈。對(duì)船總體設(shè)計(jì)而言，選用鏈徑越大的錨鏈需要更大的錨鏈艙，需要配置更大的錨機(jī)、掣鏈器等設(shè)備，不僅占用更多的總體資源，也會(huì)對(duì)船舶的浮態(tài)產(chǎn)生不利影響。因此，在滿足錨泊需求的前提下，建議選擇直徑較小的錨鏈。

此外，若在舾裝數(shù)表中增加海洋系泊鏈與舾裝數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將便于船總體設(shè)計(jì)在有需求指導(dǎo)的情況下進(jìn)行海洋系泊鏈的選擇。

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