一種備錨自行更換的可行性方法

奚凌云，張鵬飛，李 斌

（1. 中船第九設(shè)計(jì)院工程有限公司，上海 200063；2. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

一種備錨自行更換的可行性方法

奚凌云1，張鵬飛2，李 斌2

（1. 中船第九設(shè)計(jì)院工程有限公司，上海 200063；2. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

船舶營(yíng)運(yùn)中各種振動(dòng)或者不可抗因素會(huì)引發(fā)丟失錨的現(xiàn)象，而根據(jù)規(guī)范與港口的要求，船舶在缺錨的情況下是不允許進(jìn)入航道航行或靠港等的。因此錨的自行更換非常重要。主要對(duì)船舶在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中自行更換備用錨進(jìn)行可行性研究，論述備錨基座的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全性、穩(wěn)定性核算，驗(yàn)證無(wú)論在存放狀態(tài)還是更換過(guò)程中備錨、系泊絞車、纜繩以及系泊附件的安全性。此外還介紹了利用母船的錨泊系泊機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)自行更換備錨的操作方法。

備錨基座；優(yōu)化設(shè)計(jì)；自行更換；安全性

0　引言

船舶在錨地、港內(nèi)或遮蔽水域內(nèi)等待泊位或合適潮位時(shí)，需要通過(guò)拋錨進(jìn)行臨時(shí)停泊或者實(shí)現(xiàn)緊急情況下的船舶制動(dòng)。但是大型船舶由于營(yíng)運(yùn)中的各種振動(dòng)導(dǎo)致錨卸扣松動(dòng)脫落，或者因其他一些不可抗因素，會(huì)引發(fā)丟失錨的現(xiàn)象。目前很多港口、碼頭不允許缺錨的船舶?？浚碨OLAS［1］規(guī)范，也不允許缺錨的船舶航行。如需更換錨，則要求助于工程船或者把船?？坑谟邪兜醯拇a頭，代價(jià)昂貴，并且會(huì)耽誤時(shí)間，因此，船舶自行更換備錨將能為船舶營(yíng)運(yùn)大大節(jié)省費(fèi)用及時(shí)間。本文主要以備用錨固定座（以下稱為備錨基座）為基礎(chǔ)，闡述備錨基座設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)利用船舶自身設(shè)備更換備錨的可操作性、安全性進(jìn)行論證。

1　現(xiàn)狀

目前備錨基座是直接燒焊在靠近船首甲板上的（見(jiàn)圖1）。此備錨基座分為7個(gè)部分，艏艉3個(gè)底座分別支撐封頭及錨卸扣處，中間4個(gè)卡箍主要用來(lái)固定錨頭和錨柄，整個(gè)基座下端沿著船舶梁拱方向延伸，上端保證水平，并用木質(zhì)墊塊支承在錨下面。從其形式來(lái)看，備錨存放在此基座上是十分安全穩(wěn)固的；從其布置來(lái)看，存放在貨艙區(qū)甲板靠近船舯處，雖然避免了航行中風(fēng)浪沖擊等因素，但是此類大型船舶的錨質(zhì)量都＞10t，如此布置是無(wú)法解決在沒(méi)有起重設(shè)備輔助的情況下將備錨自行安裝到錨鏈末端的問(wèn)題。

2　自換式備錨基座方案

依靠岸上起重設(shè)施裝卸貨物的大型散貨船，甲板面上基本都未設(shè)置起重設(shè)備。很多船廠付出努力以解決船舶在沒(méi)有起重設(shè)備輔助的情況下更換備錨的問(wèn)題。以備錨基座為對(duì)象，在基本不改變其固定型式的基礎(chǔ)上，對(duì)其布置位置及功能進(jìn)行優(yōu)化，描述備錨的更換過(guò)程并簡(jiǎn)略地核算其安全性（見(jiàn)圖2）。

圖2　優(yōu)化后備錨基座的安裝位置及詳圖

從圖2可見(jiàn)，為了實(shí)現(xiàn)在船上自行更換備錨，可將其位置移動(dòng)至舷邊，并盡量靠近艏部；原來(lái)的艏艉3個(gè)底座下半部分用一整塊帶結(jié)構(gòu)支撐的鋼板取代，并將止推塊拆分為兩部分，靠近舷邊的做成可拆式，用螺栓連接（共4個(gè)M48螺栓）?？紤]到主甲板舷側(cè)的舷頂邊板的高度，需要將備錨整體抬高，并置于一塊面板上，此整塊板與水平線的夾角為5°；原來(lái)的4個(gè)卡箍形式不變，卡箍的角鋼燒焊在基座板上，圓鋼與角鋼螺栓連接（共8個(gè)M30螺栓）。

與原來(lái)的形式相比，優(yōu)化后的基座更靠近舷邊，靠近舷邊的擋塊變成了可拆式并且朝舷邊傾斜，如此優(yōu)化使備錨可由此處入水。需要更換時(shí)，利用船上現(xiàn)有的設(shè)備將錨鏈末端與備錨連接，從而達(dá)到優(yōu)化效果。

3　安全性校核

3.1 備錨基座的穩(wěn)性計(jì)算

分析此基座在存放備錨時(shí)以及在船舶營(yíng)運(yùn)中的受力情況可知，基座立柱的抗彎和壓桿穩(wěn)定是必須考慮的兩個(gè)方面。備錨隨著船舶的縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)存在著橫向和縱向滑移的可能，其基座的可拆式部分在船體運(yùn)動(dòng)時(shí)能否承受相應(yīng)的力則是需考慮的重點(diǎn)。以下對(duì)基座立柱進(jìn)行簡(jiǎn)單核算，核算時(shí)，忽略基座本體材料內(nèi)部相互的影響。

3.1.1 抗彎

分析立柱的受力［2］，可將其定義為一端固定在甲板上的懸臂梁，當(dāng)垂直于立柱的最大橫向外力作用于此梁端部時(shí)是最危險(xiǎn)的狀態(tài)（見(jiàn)3.1.3的分析）。以最長(zhǎng)一根立柱（L=0.74m）為對(duì)象，進(jìn)行受力分析并作剪力彎矩圖（見(jiàn)圖3）。

該船的單錨重量為 14100kg，由錨的重力產(chǎn)生的立柱的受力F、力矩AM 為：

圖3　立柱受力分析及剪力彎矩

此梁橫截面上的最大正應(yīng)力為：

查手冊(cè)可知，Q235鋼的抗拉強(qiáng)度為375～500MPa，即此材料許用應(yīng)力［］σ遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此時(shí)所受的最大正應(yīng)力。故可認(rèn)為此立柱在船舶營(yíng)運(yùn)中不會(huì)彎曲變形。

3.1.2 壓桿穩(wěn)定

分析立柱的受力，將其定義為兩端固定的中心受壓直桿，分析其壓桿的穩(wěn)定性。立柱所受到的軸向外力主要為備錨及基座上半部分的重力，即：

由臨界力歐拉公式：

式中：E——Q235號(hào)鋼的彈性模量，取200GPa；I——此立柱的慣性矩；l——立柱的長(zhǎng)度，取最長(zhǎng)的一根立柱，

從CRF與F外的數(shù)值比較中可以看到，此立柱失穩(wěn)時(shí)的臨界力CRF＞＞立柱所受的外力，也就是說(shuō)，立柱不會(huì)失穩(wěn)！由公式還可以得知，此臨界力與立柱長(zhǎng)度的平方成反比，上述計(jì)算中，選取了最長(zhǎng)的一根支柱，所以可認(rèn)定，所有的立柱均不會(huì)失穩(wěn)。

3.1.3 備錨固定在基座上時(shí)的安全性分析

船舶在橫搖過(guò)程中會(huì)使備錨產(chǎn)生向舷邊運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)（離心運(yùn)動(dòng)），當(dāng)船舶由右傾回到平浮，并繼續(xù)左傾的時(shí)候?yàn)樽钗ｋU(xiǎn)的狀態(tài)。此時(shí)，船舶橫傾的速度最大，備錨作橫搖運(yùn)動(dòng)所需求的力F向需最大。

式中：m——錨的質(zhì)量［3］，m=14100kg；ω——船舶剛剛回到平浮狀態(tài)時(shí)的角速度r——備錨重心到船中的距離，取21.8m。

此時(shí)向心力F向供主要由備錨與基座之間的摩擦力F摩以及螺栓的剪切力SF提供。先計(jì)算此摩擦力和剪切力的最大值。

式中：f——備錨與基座之間的靜摩擦系數(shù)，查手冊(cè)［4］選取最小系數(shù)0.35；g取9.8m/s2；α——備錨與水平方向的夾角，取。由連接件的實(shí)用計(jì)算法可知，F(xiàn)S——剪切面的剪力，F(xiàn)S= μTAS，AS為剪切面的面積；查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知Q235材料的性能等級(jí)為3.6的螺栓，抗拉強(qiáng)度為300MPa，取抗剪系數(shù)為0.43，可得M48和M30的螺栓的許用切應(yīng)力；μ為考慮到螺栓與基座開(kāi)孔裝配的間隙所增加的系數(shù)，取0.5。

所以

從F向供和F向需的數(shù)值比較中可知，備錨基座所能提供阻力的最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于備錨作圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力，因此備錨平時(shí)的存放是安全的。由于備錨基座艏艉的3個(gè)底座均焊接在上基座面板上，所以忽略船舶平時(shí)營(yíng)運(yùn)中的縱傾對(duì)基座的影響。

3.2 更換時(shí)錨絞機(jī)以及纜繩的受力分析［5］

分析更換備錨的過(guò)程可知，更換時(shí)系泊絞車能否承受錨鏈的拉力，纜繩及系泊附件是否會(huì)被破壞是需要重點(diǎn)關(guān)注的。

可將纜繩和錨鏈作為研究對(duì)象，選取XZ面以及YZ面分別進(jìn)行受力分析（見(jiàn)圖4）。

由圖4可列方程組：

圖4　纜繩與錨鏈的受力分析

在上述方程組中，n=66°，p=72.3°，角度m未知，僅有GF可以通過(guò)錨機(jī)放鏈的多少來(lái)調(diào)節(jié)，為了保證兩臺(tái)絞車受力均勻，可以假定；在保證錨鏈柔性的同時(shí)盡量減少放出錨鏈的長(zhǎng)度，為此，以系泊布置圖為基礎(chǔ)，估算出放出錨鏈長(zhǎng)度；查標(biāo)準(zhǔn)可知，三級(jí)電焊有檔錨鏈重 250.73kg/m，可知

從建造的20.6萬(wàn)t散貨船的設(shè)備資料中可知，系泊絞車可承受的拉力為200kN，φ80mm×220m纜繩的破斷強(qiáng)度≥742kN，均＞51kN。故在更換時(shí)，系泊絞車、纜繩以及系泊附件都是安全的。

3.3 備錨入水的運(yùn)動(dòng)核算

由于備錨體積龐大，因此當(dāng)備錨滑離基座時(shí)需要一個(gè)較大的速度，避免下落時(shí)撞擊船體。因此當(dāng)擋塊拆除之后，需要繼續(xù)釋放錨鏈，一方面增加牽引力，加大備錨在基座上滑行的加速度；另一方面，當(dāng)放出的錨鏈長(zhǎng)度與水深相近，錨入水后到達(dá)水底時(shí)能夠獲得緩沖。以下計(jì)算備錨在基座上的運(yùn)動(dòng)，不涉及錨脫離船體以后的運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)通過(guò)人力撬動(dòng)，給錨一個(gè)初始速度后，備錨在基座上所受的摩擦力轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)摩擦力，故當(dāng)備錨開(kāi)始滑動(dòng)之后，就是錨鏈的重力提供的拉力與錨重力的分力的合力克服滑動(dòng)摩擦力。將備錨簡(jiǎn)化為剛體，進(jìn)行受力分析（見(jiàn)圖5）。

列方程組：

式中：GF——錨的重力在水平方向上的分力，可以假定錨鏈的重力由備錨處的拉力和錨機(jī)的拉力均分；1f——鋼對(duì)鋼的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，查表［6］取0.15；L鏈取三節(jié)錨鏈長(zhǎng)度82.5m。

備錨以此瞬時(shí)速度滑離基座不會(huì)撞擊船體。

圖5　備錨受力分析

4　更換備錨操作方法

1） 如圖6所示，通過(guò)人力，將M18號(hào)系泊絞車?yán)|繩的牽引繩（長(zhǎng)度≥80m）的末端穿過(guò)舷邊滾輪導(dǎo)纜器17，然后從船上拉至艏樓觀錨平臺(tái)處，并從舷外放至錨鏈筒下口附近；

2） 通過(guò)人力，將M12號(hào)系泊絞車?yán)|繩牽引繩的末端繞過(guò)艏樓上的羊角滾輪9，然后拉至備錨附近；

3） 啟動(dòng) M10，讓錨鏈的末端到達(dá)錨鏈筒附件，人員系好安全帶，在保證安全的情況下，從錨鏈筒下去沿著錨鏈到達(dá)下口，利用工具將放下來(lái)的M18號(hào)系泊絞車?yán)|繩與錨鏈栓接固定（栓接處下端仍然留有一定的鏈環(huán)），對(duì)于航速高的艏部線形瘦的船，需要借用救助艇在水面上輔助纜繩與錨鏈固定；

4） 啟動(dòng)錨機(jī)M10，緩慢釋放錨鏈，同時(shí)啟動(dòng)M18號(hào)系泊絞車（注意調(diào)節(jié)兩絞車的速度），開(kāi)始慢慢回收纜繩，緩緩地將錨鏈末端拉至舷邊滾輪導(dǎo)纜器17附近，剎緊錨機(jī)M10和絞車M18；

5） 將M12的纜繩與錨鏈固定栓牢。啟動(dòng)M12與M18，兩者配合緩慢地將錨鏈拉至備錨的錨卸扣處；

6） 將錨鏈的末端卸扣與備用錨的錨卸扣連接固定，然后松開(kāi)并回收兩臺(tái)絞車M12、M18的纜繩；

7） 松開(kāi)備錨基座上的固定螺栓，啟動(dòng)錨機(jī)，繼續(xù)釋放錨鏈至合適長(zhǎng)度（放出的錨鏈長(zhǎng)度與停泊處水深相近），剎緊錨機(jī)；

8） 利用人力撬動(dòng)，使錨開(kāi)始滑動(dòng)，更換好的錨開(kāi)始通過(guò)重力及錨鏈的牽引力自行滑行至水中，待錨鏈張緊，在水中平靜后收起錨鏈即可。

圖6　備錨更換過(guò)程示意

5　結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單核算可知，在不增設(shè)甲板起重設(shè)備的前提下，將現(xiàn)有的備錨基座稍稍優(yōu)化，就能夠?qū)崿F(xiàn)自行更換備錨。誠(chéng)然，優(yōu)化后的基座制作成本有所增加（基座所用鋼材重量3.732t），但是此優(yōu)化帶來(lái)的效益卻是巨大的。據(jù)了解，如果停留在錨地，求助于駁船來(lái)更換備錨，需在錨地至少等待2d時(shí)間，一次操作所需費(fèi)用高達(dá) 30萬(wàn)美元，此基座優(yōu)化的方法深受船東歡迎，為船舶的正常營(yíng)運(yùn)提供極大的方便，因此，筆者認(rèn)為，此成果值得推廣。

［1］ IMO. SOLAS Consolidated Edition 2009［S］.

［2］ 劉鴻文. 材料力學(xué)第5版［M］. 北京：高等教育出版社，2009.

［3］ 沈治平. 基于錨重量計(jì)算與分析［J］. 外高橋造船技術(shù)，2011 （1）: 16-19.

［4］ 王文斌. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第3版［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［5］ 張鼎. 大型集裝箱船碼頭系泊及抗臺(tái)風(fēng)計(jì)算分析［J］. 船舶與海洋工程，2014 （2）: 15-19.

［6］ 黃平濤，吳強(qiáng). 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)-舾裝分冊(cè)［M］. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

A Feasible Method for Spare Anchor Self Replacement

XI Ling-yun1，ZHANG Peng-fei2，LI Bin2
（1. China Shipbuilding NDRI Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200063；2. Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.，Ltd.，Shanghai 200137）

Vibrations and unavoidable factors in ship operation will cause the loss of anchor. According to the regulations and port requirements，ships are not allowed to start voyage or enter port without anchor，so self replacement of anchor is very important. This paper mainly focuses on the feasibility of self replacement of spare anchor during ship operation，discusses the optimization of anchor seat design and the check of safety and stability，and verifies the security of winches，anchor cables and mooring attachment during anchor storage or replacement. Besides，it introduces the self replacement method of the spare anchor using mother ship mooring machinery.

spare anchor seat； design optimization； self replacement； security

U664.4

B

2095-4069 （2016） 03-0067-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.03.012

2015-11-16

奚凌云，男，工程師，1977年生。1998年畢業(yè)于華中理工大學(xué)船舶與海洋學(xué)院熱力發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)，現(xiàn)從事工業(yè)建筑設(shè)計(jì)工作。