帶破冰功能全回轉(zhuǎn)拖船的設(shè)計(jì)

劉林偉

(江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團(tuán))有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212002)

0 引言

全回轉(zhuǎn)拖船具有靈活的操縱性，在有限的空間內(nèi)能夠任意方向進(jìn)行船舶運(yùn)動(dòng)，能夠協(xié)助大型船舶靠離碼頭、消防、引航、拖帶等各種作業(yè)要求，已成為各大港口必不可少的作業(yè)工具。隨著我國(guó)北方港口的開放，經(jīng)濟(jì)交流日益廣泛，各港口的運(yùn)輸業(yè)越來越繁忙，積極推動(dòng)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。眾所周知，我國(guó)具有較長(zhǎng)的海岸線，不同地理位置的港口作業(yè)條件存在著較大的差異，特別是北方寒冷地區(qū)，例如:渤海灣，冬季溫度低，港口的冰層厚度可達(dá)到70 cm，這對(duì)港口運(yùn)輸業(yè)發(fā)展以及港區(qū)船舶進(jìn)出港造成了很大的困難和安全隱患。因此，港口對(duì)配套作業(yè)的全回轉(zhuǎn)拖船的船型、性能及功能提出了更高的要求。

根據(jù)實(shí)地的調(diào)研，針對(duì)這些港口的地理、氣候等地域特征，結(jié)合破冰船的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研發(fā)出一種更加適合北方冰區(qū)作業(yè)的帶破冰功能的全回轉(zhuǎn)拖船。

1 破冰船的特點(diǎn)

破冰船是服務(wù)類船舶，主要用來破碎冰層，開辟航道，引導(dǎo)冰區(qū)內(nèi)船舶的航行。船身短而肥，龍骨傾斜，艏柱前傾;整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，水線區(qū)域的船體外板用加厚鋼板或高強(qiáng)度鋼板和加密骨架進(jìn)行加強(qiáng)，空船重量大。作業(yè)時(shí)，船舶艏部在行進(jìn)中對(duì)冰層連續(xù)或反復(fù)突進(jìn)式捶壓破冰?？偟恼f來，破冰船的主要特點(diǎn)是船長(zhǎng)小、型寬大，自重大、功率大。

2 帶破冰功能的全回轉(zhuǎn)拖船的線型特點(diǎn)

為適用于B3級(jí)冰區(qū)的作業(yè)要求，將帶破冰功能的全回轉(zhuǎn)拖船的線型設(shè)計(jì)成破冰型勺型艏、斜艏柱，大圓角船艉，以適合船速、性能、頂推和冰區(qū)作業(yè)。“勺型艏、斜艏柱”為破冰船艏部的典型線型，其艏部型線圖如圖1所示。實(shí)船艏部如圖2所示。實(shí)船艏部與水線的夾角不易大，否則會(huì)形成撞冰而非壓冰，出現(xiàn)作業(yè)時(shí)船舶的震動(dòng)加大，艏柱受力過大甚至變形，降低船舶的作業(yè)時(shí)間等一系列問題。

圖1 帶破冰功能的全回轉(zhuǎn)拖船艏部型線圖

由于鋼板與冰之間的摩擦系數(shù)約為0．2，在設(shè)計(jì)船舶型線時(shí)為避免船舶的舷側(cè)外板被冰擠壓變形，需對(duì)舷側(cè)外板進(jìn)行受力分析，控制舷側(cè)外板與垂直面之間的夾角。

在船舷側(cè)外板上，冰的壓力可分為2個(gè)方向上的力:即垂直于外板的壓力R和相切于外板的切力F，其受力簡(jiǎn)圖如圖3所示。合力P和R之間存在著一定的夾角b，即外板對(duì)豎直線的傾斜角a，b=a，F(xiàn)=Rtan α。根據(jù)規(guī)范:冰與外板的摩擦力 Q=0．2R，其中0．2是冰與鋼板間的摩擦系數(shù)。因此，當(dāng)a＞11°時(shí)，Q＜F，切力F就會(huì)把附著在船身上的冰推到水里，冰沿著船舷滑動(dòng)，并不會(huì)對(duì)船造成損壞;當(dāng)a＜11°時(shí)，Q＞F，摩擦力Q會(huì)使冰塊壓在船舷，阻礙冰塊的滑動(dòng)，船舷在長(zhǎng)時(shí)間的受力情況下就會(huì)被壓壞變形。

圖2 帶破冰功能的全回轉(zhuǎn)拖船實(shí)船艏部

圖3 受力簡(jiǎn)圖

3 船舶的平衡及穩(wěn)定性

船舶滿載時(shí)要求船舶基本保持水平(橫傾不大于0．5°)，無艏傾。因本船整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)、重量大，尤其是艏部，空船的重心位置偏中前，所以本船在設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮液艙的布置位置，避免出現(xiàn)艏傾對(duì)船舶的作業(yè)效果和作業(yè)時(shí)間造成不利的影響。在拖船干舷足夠的情況下，可在拖船艏部或艉部設(shè)置壓載艙，用來控制拖船的航行浮態(tài)。拖船在航行時(shí)必須保證航向的穩(wěn)定性，且船身無振動(dòng)。

船舶在完工試航前必須進(jìn)行傾斜試驗(yàn)，并根據(jù)傾斜試驗(yàn)數(shù)據(jù)校核港作和近海拖帶調(diào)遣2種船舶工況下的船舶完整穩(wěn)性。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)

(1)船體結(jié)構(gòu)按照《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，滿足船東作業(yè)水域冰級(jí)冰區(qū)的強(qiáng)度要求。根據(jù)規(guī)范要求在外板上劃分出首、中、尾3個(gè)冰帶區(qū);對(duì)于無平行縱體的拖船，僅有首、尾2個(gè)冰帶區(qū)。根據(jù)最大吃水和最小吃水繪出垂向的高位冰區(qū)水線(UIWL)和低位冰區(qū)水線(LIWL)，由此確定船體的冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)圖。

(2)在舵槳裝置處船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行特別加強(qiáng)，舵槳本體水下部分均需與船舶一致的冰級(jí)強(qiáng)度要求進(jìn)行強(qiáng)度校核。舵槳布置圖如圖4所示。

(3)板型焊接船艏柱。整根艏柱鋼板制成，保持面板的彎曲與船體線型一致，并與船殼板及龍骨板焊接。為了滿足船舶頂推作業(yè)的要求，按CCS規(guī)范要求，對(duì)船體艏部進(jìn)行加強(qiáng)。

圖4 舵槳布置圖

(4)全船采用橫骨架式，根據(jù)規(guī)范要求每檔肋位安設(shè)主肋骨(滿足規(guī)范對(duì)冰區(qū)的要求)和甲板橫梁，每隔4檔安設(shè)強(qiáng)肋骨和強(qiáng)橫梁。對(duì)于艏冰帶加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)的構(gòu)件布置可采用變肋距、中間肋骨或加厚肋骨來迎合實(shí)際受力和規(guī)范的要求;艏部水線曲度變化較大的艏尖艙內(nèi)，肋骨間距的選取需要特別注意，應(yīng)取肋位間的跨距。舷側(cè)設(shè)有1道舷側(cè)縱桁貫穿全船，同時(shí)為了滿足規(guī)范強(qiáng)度要求，船艏部可設(shè)有短縱桁，但艏尖艙外的舷側(cè)縱桁必須延長(zhǎng)至距首垂線0．3 L(L為船長(zhǎng))處。甲板上設(shè)置5道甲板縱桁用來支撐甲板橫梁，必要的地方可設(shè)置支柱來加強(qiáng)支承。

(5)艉縱舯底部設(shè)置分水踵，每檔肋骨處設(shè)置加強(qiáng)筋板;兩舷設(shè)置舭龍骨，考慮到破冰時(shí)舭龍骨容易撕裂的情況，位于艏冰帶區(qū)的舭龍骨需設(shè)置斜向支撐;若船舶作業(yè)于惡劣冰況的水域，則建議不設(shè)舭龍骨。

(6)船體艏部設(shè)有艏部操作平臺(tái)，操作平臺(tái)的坡度不易過大或過小。坡度大了，員工作業(yè)時(shí)不易站立，容易打滑，危險(xiǎn)系數(shù)大;坡度小了，甲板上浪的積水不能及時(shí)排出，容易出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，員工作業(yè)時(shí)易打滑，危險(xiǎn)系數(shù)更大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，將其坡度限定在2°～4°以內(nèi)，同時(shí)在平臺(tái)上鋪設(shè)格柵或防滑棱，阻止水或冰與作業(yè)人員鞋底的直接接觸。在冰期氣候特別惡劣(滴水成冰)的港口拖船，可在格柵或防滑棱上面再鋪設(shè)錦綸防滑網(wǎng)。

(7)所有機(jī)械設(shè)備和附件在下列設(shè)計(jì)條件下能夠保證正常運(yùn)行和達(dá)到額定功能:

大氣壓力 0．1 MPa

環(huán)境溫度最高 45℃;最低－25℃

相對(duì)濕度 85%

海水溫度 32℃

5 破冰功能的實(shí)現(xiàn)

本船裝有艉推進(jìn)裝置，船舶運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)螺旋槳在船艉提供強(qiáng)大的推力，根據(jù)船艏柱的線型特點(diǎn)，使船艏沖至冰面上。破冰船要求具有傾斜的艏部，同時(shí)艏部吃水淺，這樣才能保證破冰作業(yè)時(shí)船艏輕輕松松地沖上冰面。當(dāng)船艏部分出現(xiàn)在水面上的重量大于冰層所能承受的力時(shí)，冰層就被壓碎。然后船舶向后倒行一定的距離，再次全速向前沖上冰層，利用船艏重量壓碎冰層。這個(gè)時(shí)候的船舶就像是一個(gè)速度低而重量極大的大塊頭，是一個(gè)超大磅的重錘。如此反復(fù)，冰封的港口航道內(nèi)就被撕開了一個(gè)口子，為大型船舶的靠離碼頭保駕護(hù)航。

6 結(jié)語

改革開放以來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展離不開港口經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)。作為世界上最長(zhǎng)海岸線的國(guó)家之一，相比繁榮的南部和東部口岸，渤海灣地區(qū)的港口經(jīng)濟(jì)正在迎頭趕上，而港口吞吐量是衡量港口經(jīng)濟(jì)的重要指標(biāo)之一。船舶的靠離需要拖船的協(xié)助，進(jìn)出港口離不開拖船的護(hù)航。隨著世界貿(mào)易的增長(zhǎng)，運(yùn)輸船舶逐步往大型化發(fā)展。一定噸位的船舶需要配置相當(dāng)數(shù)量和功率的拖船，拖船的配置直接關(guān)系著港口的吞吐量，而本文設(shè)計(jì)的帶破冰功能的全回轉(zhuǎn)拖船正是為渤海灣各港口量身定制的船型，為該地區(qū)港口經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展提供了保障。

根據(jù)實(shí)船交付后的使用情況反饋，本船型完全達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的要求。在冰期的渤海灣內(nèi)時(shí)刻可以看到它們忙碌的身影，經(jīng)常出現(xiàn)人歇船不歇的現(xiàn)象。即使是嚴(yán)寒期的疊冰現(xiàn)象也能輕松破除，使得冰期的渤海灣也能依舊繁華。

［1］ 中國(guó)船級(jí)社．鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范 (第2分冊(cè))［M］．北京:人民交通出版社，2015．