200m₃自航四開體石駁的總體設(shè)計

杜小明

摘 要：介紹長江上游200m3自航四開體石駁的總體設(shè)計方案內(nèi)容，著重對主尺度、布置方案、開體方式、結(jié)構(gòu)形式、主要設(shè)備的選取等作了分析和研究。

關(guān)鍵詞：石駁 主尺度 四開體 船舶設(shè)計

1.引言

因金沙江向家壩等工程蓄水，下泄清水挾沙能力增強(qiáng)，加快了長江宜賓合江門至重慶新港河段河槽沖刷，“上沖下淤”，維護(hù)疏浚量由40萬方增加至70萬方以上。該河段為卵石河床，航道彎、窄，主要采用抓斗挖泥船配套石駁進(jìn)行維護(hù)疏浚施工。

本文介紹200m3自航開體石駁設(shè)計方案，并著重對船舶的主尺度、布置方案、開體方式、結(jié)構(gòu)形式、主要設(shè)備的選取原則和方法等作分析和研究。

2.主尺度的確定

主尺度選取時，主要考慮作業(yè)需求，結(jié)合航道等自然條件限制，對不同尺度的快速性、經(jīng)濟(jì)性、操縱性等進(jìn)行比選確定。

2.1總長LOA

總長的選取首先要考慮船舶的總布置及石艙容積要求，以及操縱性、快速性以及經(jīng)濟(jì)性等多因素。

首先以總體布置看，為滿足居住艙室的需要，及石艙容積要求，本船總長≮43.8m。

其次從操縱性方面看，因本船作業(yè)航道復(fù)雜多變，增加船長會加大轉(zhuǎn)彎調(diào)頭難度。其航行河段最小航道維護(hù)尺度為2.9m×50m×560m（航深×航寬×彎曲半徑）。根據(jù)經(jīng)驗，為確保大流速情況下狹窄航道處調(diào)頭的安全，本船總長不宜超過46m

再就快速性角度而言，本船設(shè)計航速約為19km/h，其傅氏數(shù)約為0.25，此時隨著船長的增加，長度（L）排水量（Δ）系數(shù)（L/Δ1/3）會加大，剩余阻力因傅氏數(shù)減少和船體變得瘦長而減少，雖然摩擦阻力因濕表面積增加而增大，但因為此時剩余阻力所占比例較大，因而總阻力會隨著船長增加而減少。

而從經(jīng)濟(jì)性方面看，船長增加會略微增加船體鋼料（本船船長每增加2m，約增加鋼料10t），但可降低主機(jī)功率，主機(jī)會便宜些，后期的運營及維護(hù)成本也低很多，更符合當(dāng)今節(jié)能環(huán)保型社會要求。

因此，在條件允許時，適當(dāng)增加船長是有利的。

在初步設(shè)計階段，可用巴氏裘寧公式估算船長與航速和排水量之間在阻力性能上的最佳配合值：

v—航速，10.26kn；Δ—型排水體積，825m3

綜合上述因素，本船總長初定為46m。

2.2吃水d

吃水的選取主要受航道限制。本船服務(wù)水域維護(hù)水深2.9m，兼顧考慮配合抓斗式挖泥船進(jìn)行應(yīng)急搶險作業(yè)的要求，本船設(shè)計吃水定為2.4m。

2.3型深D

型深應(yīng)能滿足艙容、艙底布置、干舷以及穩(wěn)性等要求。增加型深對穩(wěn)性有利，還可以增加石艙容積。經(jīng)核算，本船干舷0.45m時穩(wěn)性可滿足法規(guī)的要求。據(jù)此，本船型深定為2.85m。

2.4船寬B

船寬的選取要考慮本船的總布置及石艙容積要求，且還應(yīng)考慮快速性、穩(wěn)性以及經(jīng)濟(jì)性等因素。船寬太小會對船舶的穩(wěn)性和艙室布置不利，但船寬太大可能會使初穩(wěn)性高過大，導(dǎo)致橫搖加劇。

從總布置及石艙容積要求來看，本船船寬應(yīng)不小于8.5m。船寬初定為8.6--9.0m，此時L/B（船長/型寬）約4.89—5.35、B/d（型寬/型深）約3.58—3.75，均在一個合理的范圍內(nèi)。

2.5作業(yè)艙容

本船為4 m3抓斗挖泥船配套船舶，根據(jù)配套的需求石駁艙容應(yīng)不低于200 m3。根據(jù)船長和總布置的初步分析和布置，本船石艙長度不小于20m，對石艙的橫剖面進(jìn)行初步設(shè)計，以確保石艙橫剖面積不低于10m2，總的石艙艙容不低于200 m3。

3.船舶線型

本船寬度（B）吃水（d）比B/ d=3.75、方形系數(shù)Cb約為0.83，均較大，屬于淺吃水肥大船型。線型設(shè)計的難點主要在首尾部線型和平行中體的配合，尤其是首部及尾部線型的合理設(shè)計。

一般來講，淺吃水肥大型船的特點是線型豐滿、濕表面積大、傅氏數(shù)低，但本船由于受航道限制，船長較小，另外考慮到需要上水沖灘，對航速的要求也比較高，這就造成了本船的傅氏數(shù)較大。經(jīng)計算，本船傅氏數(shù)Fn約0.25，遠(yuǎn)高于一般淺吃水肥大船型傅氏數(shù)Fn=0.1～0.2的范圍，此因素在確定首尾線型時要予以重點考慮。

3.1首部線型

針對本船淺吃水肥大船型的特點，首部線型可考慮采用縱流首、前傾首和直型首等三種型式（如圖1所示）。

本船服務(wù)水域航道復(fù)雜，部分水域灘多水急，要求船舶必須具有較好的航向穩(wěn)定性和應(yīng)舵性，因此縱流首不太適合。而采用直型首可最大限度拉長水線，提升船舶快速性和航向穩(wěn)定性。本船優(yōu)先采用直型首。

3.2尾部線型

針對本船淺吃水肥大船型的特點，尾部線型可考慮采用流線型尾、普通雙尾以及帶隧道雙尾。

本船重心較靠后，為增加尾排水量，需把尾縱剖線往下壓，進(jìn)一步限制了螺旋槳的直徑，尾部增加隧洞可以緩解這一矛盾； 且本船屬淺吃水肥大船型，采用雙尾船型是對阻力性能有利的，另由于受吃水限制，增加隧洞可加大螺旋槳直徑，進(jìn)而提高航速。因此本船最終采用帶閉式隧洞的雙尾船型。

4.開體形式

開體形式主要有四開體式和雙開體形式兩種：

四開體形式：船體首部和尾部為整體，中部石艙區(qū)域分為左右兩個片體，開體時只有中部兩個片體對開。采用四開體形式，上層建筑與尾部主體結(jié)構(gòu)形成整體，布置面積較大，布置方式可多樣化，便于船員的生活和工作；且石艙片體與首尾部設(shè)兩個以上的鉸鏈連接，開體動作更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確，因絞點設(shè)置在首尾兩側(cè)，對船長并無影響；船舶上塢后，塢躉支撐住首尾片體，可打開中間兩個片體，對石艙段內(nèi)側(cè)外板進(jìn)行維護(hù)。

雙開體形式：由縱向?qū)ΨQ的兩半船體組成，該兩半船體繞分別設(shè)置在首尾主甲板之上兩個絞鏈軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，首尾液壓缸艙分別設(shè)置了一只用于片體啟閉的啟閉液壓缸。采用雙開體形式，船體結(jié)構(gòu)和啟閉機(jī)構(gòu)均較簡單，啟閉過程的穩(wěn)定性較好；但尾部機(jī)艙為兩個片體，不可設(shè)置機(jī)艙監(jiān)視室，不便于機(jī)艙的日常維護(hù)和緊急情況的處理及機(jī)艙布置多樣化；此外雙開體船舶上塢時由于支撐開體困難，不便于內(nèi)側(cè)外板維護(hù)，尤其是機(jī)艙段內(nèi)側(cè)外板的銹蝕，將嚴(yán)重危害到船舶安全。

綜上所述，本船采用四開體形式。

5.石艙開體系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)

本船設(shè)液壓系統(tǒng)完成開體油缸動作，為提高作業(yè)效率，液壓系統(tǒng)采用恒功率控制并具有差動功能，以有效縮短啟閉時間。

本船石艙段首尾各設(shè)開體油缸2根，啟閉時間定為：開啟≤100s，關(guān)閉≤80s。

石艙內(nèi)底設(shè)有緩沖耐磨裝置（如圖2）。

在斜艙底板與耐磨面板之間敷設(shè)50mm橡膠板，用螺栓固定。為加強(qiáng)緩沖耐磨作用，耐磨面板上每隔240mm加焊80mm半圓鋼。石艙斜板底板厚度為10mm，石艙緩沖耐磨面板厚度為20mm。

6.主要機(jī)電設(shè)備選配

6.1推進(jìn)主機(jī)選用

本船機(jī)電設(shè)備配置較單一，核心設(shè)備為推進(jìn)主機(jī)，直接影響到整個動力裝置的安全性和經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合使用情況，本船選用～530kW左右的推進(jìn)主機(jī)。

6.2主發(fā)電機(jī)組選配

根據(jù)項目以及船型特點及總體要求，結(jié)合不同工況用電需求，配置有2臺約64 kW主柴油發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組原動機(jī)的柴油機(jī)功率約80kW左右。

7.結(jié)語

開體石駁主要完成石塊等航道淤積物裝載、運輸及拋投作業(yè)，船型及作業(yè)區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，在設(shè)計時要了解船舶運行的航道情況，及工作、運行限制條件，并重點處理好合理選擇開體方式及石艙啟閉時間、艙底對石料沖擊的防撞耐磨措施等。

此外，在確定總體方案時要與用戶多溝通，有時還需要與疏浚專業(yè)配合，并了解類似船舶的使用情況，以便最后的設(shè)計能滿足其使用功能的要求。

參考文獻(xiàn)：

[[1]中國船級社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2016.

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[3]程斌，潘偉文.船舶設(shè)計教程.上海：上海交通大學(xué)出版社，1988.