淺析雷達(dá)桅的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

伍紅竅　王成之

（廣船國(guó)際技術(shù)中心）

淺析雷達(dá)桅的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

伍紅竅王成之

（廣船國(guó)際技術(shù)中心）

本文通過對(duì)各種雷達(dá)桅體形式的分析和對(duì)比，并通過計(jì)算，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)桅結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

雷達(dá)桅 雷達(dá) 結(jié)構(gòu) 優(yōu)化

0　前言

在船舶航行過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)桅體振動(dòng)過大，影響船舶安全航行的問題。雷達(dá)桅的固化對(duì)于船舶設(shè)計(jì)愈發(fā)重要。振動(dòng)問題大多數(shù)是由于結(jié)構(gòu)型式自身的缺陷而引起，即使后期經(jīng)過加強(qiáng)處理，其效果一般都不理想。本文通過對(duì)各種雷達(dá)桅體形式的分析和對(duì)比，并且通過計(jì)算，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)桅結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

1　雷達(dá)桅上相關(guān)號(hào)燈的要求

⑴《1972年國(guó)際海上避碰規(guī)則》（1993年修訂本）對(duì)后桅燈的安裝要求如下：

① 當(dāng)安裝兩盞桅燈時(shí)，在一切正常吃水差的情況下，當(dāng)從距離船首1 000 m的海面上觀看，應(yīng)能看出后燈在前燈的上方并且分開；后桅燈最少高于前桅燈4.5 m；

② 后桅燈與前桅燈之間的水平距離應(yīng)不小于船長(zhǎng)的1/2,但不必大于100 m。

⑵ 《1972年國(guó)際海上避碰規(guī)則》（1993年修訂本）對(duì)信號(hào)燈的安裝要求如表1所示。

⑶ 船舶通過蘇伊士運(yùn)河時(shí)所需的信號(hào)燈，見圖1。

⑷ 新加坡當(dāng)局的要求：夜間航行船舶需要配備兩個(gè)垂向的綠燈，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，通常需要和蘇伊士運(yùn)河燈設(shè)計(jì)綜合考慮布置。由于沒有對(duì)安裝高度有相關(guān)要求，在實(shí)際操作過程中，高度方向采用和蘇伊士運(yùn)河燈相同的要求：1 m間隔 (有時(shí)采采用 920 mm）。

表1　《1972年國(guó)際海上避碰規(guī)則》對(duì)信號(hào)燈的安裝要求

圖1　通過蘇伊士運(yùn)河船舶所需的信號(hào)燈

⑸ 危險(xiǎn)品燈：用于運(yùn)輸或轉(zhuǎn)運(yùn)易燃、易爆、有毒或放謝性貨物的船舶，除應(yīng)有相應(yīng)的系泊、錨泊、或航行燈外，應(yīng)在最易見處顯示一盞環(huán)照紅燈，其水平能見距離至少為2海里

2　雷達(dá)系統(tǒng)的布置要求

雷達(dá)天線布置時(shí)，S 波段天線和X 波段天線波束不能相對(duì)，需要確認(rèn)海事衛(wèi)星天線、GPS 天線和AIS 天線等不得安裝在雷達(dá)波束內(nèi)，避免煙囪 、克林吊，桅桿造成的假回波影響。

S/X 雷達(dá)波束分開根據(jù)上述要求，平行布置的優(yōu)點(diǎn)：雷達(dá)結(jié)構(gòu)平臺(tái)數(shù)量為1個(gè)，平臺(tái)數(shù)量少，檢修方便，缺點(diǎn)：雷達(dá)布置不在中心，在垂直角度內(nèi)會(huì)一定干涉，平臺(tái)的橫向尺度大，平臺(tái)尺寸大。垂向布置的優(yōu)點(diǎn)：雷達(dá)布置靠中心線位置，反射效果好，平臺(tái)尺寸稍小。缺點(diǎn)：雷達(dá)結(jié)構(gòu)平臺(tái)數(shù)量為2個(gè)，平臺(tái)數(shù)量多，檢修需要穿插在兩層平臺(tái)之間，縱向尺度大。

S/X 波段雷達(dá)安裝時(shí)需滿足AB 長(zhǎng)度不大于500 m或不大于兩倍的船長(zhǎng)（IMO SN.1 Circ.271 Installation Guideline 規(guī)定）如圖2所示。

圖2　S/X 波段雷達(dá)安裝要求

雷達(dá)天線前±112.5。區(qū)域可視沒有任何盲區(qū)和遮擋物（如圖2所示），后135。區(qū)域內(nèi)總扇形盲區(qū)大小不得大于20。，雷達(dá)安全護(hù)欄離雷達(dá)基座至少500mm(如圖3所示)（IMO SN.1 Circ.271 Installation Guideline規(guī)定）。

圖3　135。區(qū)域內(nèi)總扇形盲區(qū)

注意：雷達(dá)安全護(hù)欄、信號(hào)燈桅桿等都會(huì)對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生影響，雷達(dá)波束內(nèi)不得有物體進(jìn)入，否則會(huì)對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生影響形成盲區(qū)。S/X 波段雷達(dá)天線離VHF、MF/HF、AIS 發(fā)射天線距離5 m，不得進(jìn)入雷達(dá)波束范圍內(nèi)。雷達(dá)2 m區(qū)域和距離雷達(dá)波束5 米內(nèi)不能安裝任何設(shè)備，如圖4所示。

目前，船東一般對(duì)FBB 通訊要求是比較高的，為了滿足船東要求安裝FBB 站要盡可能安裝在沒有障礙物并且要避開雷達(dá)波束的干擾的位置，目前主流的安裝位置就是雷達(dá)桅桿和羅經(jīng)甲板。安裝在雷達(dá)桅桿上，必須安裝在避開雷達(dá)波束和海事衛(wèi)星C 站干擾的位置，如圖5所示。

圖4　安裝要求示意圖

圖5　C 站、FBB 站和Radar 布置示意圖

3　幾種傳統(tǒng)形式雷達(dá)桅體的對(duì)比

⑴ 單柱集合式桅體主要優(yōu)點(diǎn)：布置緊湊，號(hào)燈布置相對(duì)集中。缺點(diǎn)：由于號(hào)燈布置空間受桅體的布置制約，常造成號(hào)燈布置受限，如增大桅體，多造成頭重腳輕出現(xiàn)。

針對(duì)該類型桅體，從高度方面設(shè)計(jì)?？紤]一下因素：兼顧到蘇伊士運(yùn)河燈的要求，桅體高度底層至少為6 m，考慮加上失控?zé)舨贾靡笾辽贋? m。僅考慮上述兩個(gè)方面，桅體高度已經(jīng)至少為12 m。對(duì)于每層平臺(tái)，考慮失控?zé)舨贾玫乃匠叽缫蠛蜋z修方面的影響，兼顧雷達(dá)及VHF的布置，故桅體雷達(dá)平臺(tái)的寬度一般不小于6 m。該類設(shè)計(jì)，常造成桅體高度較大，重量較重。當(dāng)桅體結(jié)構(gòu)不夠強(qiáng)時(shí)，會(huì)震動(dòng)較大。

對(duì)于不通過蘇伊士運(yùn)河的船舶，其雷達(dá)桅的布置僅考慮失控?zé)舨贾?、雷達(dá)布置及桅體強(qiáng)度。型式相對(duì)簡(jiǎn)單，考慮實(shí)用及維修方面的影響，桅體結(jié)構(gòu)應(yīng)采用單柱型設(shè)計(jì)。

常見設(shè)計(jì)對(duì)比如下圖6和圖7所示：

圖6　有蘇伊士運(yùn)河燈布置

圖7　無蘇伊士運(yùn)河燈布置

⑵ 獨(dú)立燈桅的雷達(dá)桅體設(shè)計(jì)：布置分散，號(hào)燈布置容易。桅體設(shè)計(jì)一般相對(duì)簡(jiǎn)單。

由于兼顧到蘇伊士運(yùn)河燈的要求，故桅體高度底層至少為9 m。考慮號(hào)型的布置，故桅體平臺(tái)的寬度一般不小于6 m。

考慮失控?zé)舨贾玫乃匠叽缫螅湿?dú)立燈桅體高度一般為6m。常見設(shè)計(jì)如圖8所示。

⑶ 連體雷達(dá)桅有布置分散，號(hào)燈布置容易，使用方便的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)計(jì)復(fù)雜且結(jié)構(gòu)重量較大。

由于兼顧到蘇伊士運(yùn)河燈的要求，故桅體總高度至少為9m?？紤]號(hào)燈的布置，通道平臺(tái)高度為3 m左右?？紤]失控?zé)舨贾玫乃匠叽缫?，故燈桅體高度一般為6 m。常見設(shè)計(jì)如圖9所示。

4　桅體的設(shè)計(jì)

主桅體的截面選擇，主要考慮到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動(dòng)響應(yīng)。

（目前只有俄羅斯船級(jí)社提供計(jì)算公式，所以通常根據(jù)此計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算）

按照一般震動(dòng)的要求，不在常見船體振頻4HZ的范圍內(nèi)，基本要求：

·H盡量不在4000～4900，要求主桅體高度不超過H/2。

·在一般設(shè)計(jì)中，當(dāng)桅體下方長(zhǎng)度為2 m時(shí)，桅體高度不超過10 m。

由于后桅燈的高度限制要求，一般選擇船舶壓載到港和滿載出港兩種裝載吃水狀態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算。

圖8　獨(dú)立燈桅體常見設(shè)計(jì)

圖9　連體桅體常見設(shè)計(jì)

雷達(dá)桅結(jié)構(gòu)布置如進(jìn)入磁羅經(jīng)中心4 m半徑球形磁性范圍內(nèi)，須用非磁性材料（一般采用不銹鋼）制成，故最好能避開此范圍布置雷達(dá)桅或其附屬結(jié)構(gòu)。

布置號(hào)燈時(shí)，前后桅燈、左右舷燈、艉燈、前后錨燈、失控?zé)粢话銥殡p層燈，須將上層燈后傾才得以換下層燈燈泡,故其燈座、桅結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠空間，滿足上層燈更換需求。雷達(dá)布置按照要求，一般可以分上下兩層獨(dú)立布置或同一平臺(tái)分開布置，不同的布置選擇在很大程度上決定了雷達(dá)桅的設(shè)計(jì)形式特點(diǎn)。同時(shí)，桅設(shè)計(jì)應(yīng)設(shè)有供維修人員攀爬、登踏結(jié)構(gòu)平臺(tái)（可以為簡(jiǎn)易平臺(tái)），以進(jìn)行號(hào)燈維修。

圖10　頂甲板的綜合布置

綜合考慮電氣設(shè)備布置，一般頂甲板的綜合布置如下：

一般情況主桅體型值要求，縱向高寬比（H/L）≤5，頂部縱向長(zhǎng)度尺寸≥桅體寬度B+100。對(duì)于桅體高度大10 m的桅體設(shè)計(jì)，采用底部與上部變寬度設(shè)計(jì)。桅體尺寸的選擇：一般根據(jù)船舶的肋位尺寸，桅體下尺寸應(yīng)為整檔尺寸，充分利用結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)結(jié)構(gòu)，盡量避免采用單獨(dú)加強(qiáng)的形式。

如果桅體和底部縱向尺寸型值太過接近；桅體頂部重量太重，會(huì)造成振動(dòng)過大。通過將上部失控?zé)魪奈w的頂部移出設(shè)置單獨(dú)的燈桅，頂部等重量降低和增大底面尺寸降低固有振動(dòng)頻率。經(jīng)修改后，振動(dòng)特性可以有效減弱。

船舶的主桅體形式優(yōu)化的對(duì)比如圖11和圖12所示。

圖11　優(yōu)化前

圖12　優(yōu)化后

如仍舊按照整體桅設(shè)計(jì)，亦可按照將主桅體延伸至上一層平臺(tái)，加大底部桅體尺寸（縱向增加一檔）的形式，強(qiáng)結(jié)構(gòu)桅體應(yīng)到達(dá)第二層失控?zé)舭惭b位置，這就要求在號(hào)燈設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)置兩側(cè)號(hào)燈。優(yōu)化對(duì)比如圖13和圖14所示。

圖13　修改前

圖14　優(yōu)化后

對(duì)于結(jié)構(gòu)平臺(tái)支撐肘板多采取板式結(jié)構(gòu)（L/H不大于4），為增加平臺(tái)肘板的剖面模數(shù)，一般需要按照帶折邊的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖15所示。

圖15　平臺(tái)肘板典型節(jié)點(diǎn)圖

對(duì)于桁架平臺(tái)支撐數(shù)量建議采用4立柱布置，考慮到穩(wěn)定性，建議采用“前窄后寬”的結(jié)構(gòu)形式。一般采用尾部立柱水平間距比首部立柱水平間距大300 mm，形成一個(gè)虛擬鉸點(diǎn)，增加平臺(tái)支撐自身的抗扭剛度。

桁架平臺(tái)支撐豎向結(jié)構(gòu)對(duì)于上部桁架

。結(jié)構(gòu)，應(yīng)豎直角度不小于5進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分增加平臺(tái)的整體剛度。

對(duì)于衛(wèi)通頂層平臺(tái)為降低其重量、減少平臺(tái)的迎風(fēng)面積，平臺(tái)設(shè)計(jì)按照桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃，所有構(gòu)件盡量采用管結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)降低平臺(tái)振動(dòng)可能性。

對(duì)于莫氏燈座支架，一般考慮到檢修方便，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型時(shí)，按照使用習(xí)慣，高度選擇不超過4 m。

5　結(jié)束語

本文通過對(duì)雷達(dá)桅相關(guān)的號(hào)燈的位置安裝要求對(duì)桅體設(shè)計(jì)的影響，并深入分析其他規(guī)則規(guī)范的要求及雷達(dá)布置相關(guān)要求，將相關(guān)規(guī)則規(guī)范的文字性要求轉(zhuǎn)化為實(shí)船設(shè)計(jì)指導(dǎo)。在號(hào)燈布置、雷達(dá)布置、號(hào)型布置方面進(jìn)行了多種形式的對(duì)比，分析各種布置之間的優(yōu)缺點(diǎn)，探討不同配置要求對(duì)桅體形式的影響，同時(shí)在雷達(dá)桅相關(guān)布置和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行分析，優(yōu)化了相關(guān)布置，基本解決了振動(dòng)方面的問題。

[1] 《1972年國(guó)際海上避碰規(guī)則》（1993年修訂本）

10.3969/j.issn.2095-4506.2016.03.003

伍紅竅（1984--），女，工程師，船舶設(shè)計(jì)。王成之（1985--），男，助理工程師，船舶設(shè)計(jì)。

2016-5-13)