大型全回轉(zhuǎn)起重船抗橫傾系統(tǒng)和起重機(jī)操作的優(yōu)化配合

張彩華

摘 ? ?要：大型全回轉(zhuǎn)起重船一般都需要配置抗橫傾系統(tǒng)。如果起重機(jī)的操作沒有和抗橫傾系統(tǒng)進(jìn)行有效的配合，則在整個(gè)全回轉(zhuǎn)起重作業(yè)過程中，船舶仍可能會有橫傾過大的風(fēng)險(xiǎn)。本文主要研究起重機(jī)的操作和抗橫傾系統(tǒng)的優(yōu)化配合，從而保證操作效率和船舶安全。

關(guān)鍵詞：全回轉(zhuǎn);起重機(jī)操作;抗橫傾系統(tǒng);自動(dòng)控制;穩(wěn)性

中圖分類號：U661.4 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Heavy revolving crane vessels generally need to be equipped with an adequate anti-heeling system. If the operation of the crane is not effectively coordinated with the anti-heeling system， there is still a risk that heel angle for vessel exceeds safety range for all revolving lift operation process. To ensure operational efficiency and vessel safety， optimal coordination for crane operation and anti-heeling system are studied in this paper.

Key words： Revolving; Crane operation; Anti-heeling System; Automatic control; Stability

1 ? ?引言

大型全回轉(zhuǎn)起重機(jī)所吊重物從船尾轉(zhuǎn)向舷側(cè)的過程中，起重機(jī)和吊重重心的變化將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的橫向力矩，從而使船舶產(chǎn)生橫傾。為此，需要配備相應(yīng)的橫向調(diào)載系統(tǒng)，通過反方向調(diào)撥壓載水來控制船舶的橫傾[1]。

由于起重機(jī)和抗橫傾系統(tǒng)是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，在起重作業(yè)從開始到結(jié)束的過程中，兩者如果不能有效的配合，則不能時(shí)刻保證起重機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的橫傾傾側(cè)力矩和抗橫傾系統(tǒng)的抗橫傾力矩相等，船舶仍然可能在起重過程中產(chǎn)生較大的橫傾，影響船舶安全。因此有必要研究起重船在起重過程中，起重機(jī)如何與抗橫傾系統(tǒng)相互配合操作來高效率的完成全回轉(zhuǎn)起重作業(yè)，同時(shí)確保船舶在整個(gè)過程中橫傾都處于安全范圍之內(nèi)。

2 ? ?大型起重船起重回轉(zhuǎn)操作的現(xiàn)狀及存在問題

目前的抗橫傾泵都不能調(diào)速，只有開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)?？箼M傾系統(tǒng)一般有三種控制模式：手動(dòng)模式（手動(dòng)開啟和關(guān)閉泵組）;半自動(dòng)模式（手動(dòng)開啟泵組，根據(jù)傾斜儀感測船舶橫傾的閾值及高低液位，自動(dòng)關(guān)閉泵組）;自動(dòng)模式（根據(jù)傾斜儀感測船舶橫傾的閾值及高低液位，確定泵組的啟停）。

起重機(jī)的操作可以實(shí)現(xiàn)無級變速，對于大型起重船全回轉(zhuǎn)工況而言，起重機(jī)操作速度過快可能導(dǎo)致橫傾超過安全范圍;起重機(jī)操作速度過慢，則不但影響工作效率，而且在自動(dòng)模式下可能引起泵組頻繁啟停，影響抗橫傾泵的使用壽命。

為保證船舶安全，對于大型起重船全回轉(zhuǎn)工況，以往的常規(guī)操作都是只使用泵組中的少部分泵，使起重機(jī)相應(yīng)減速，當(dāng)觀察到橫傾較大時(shí)進(jìn)行校正操作，如此反復(fù)直至完成起吊過程。

這種常規(guī)做法雖然可以保證船舶的安全，但抗橫傾泵組啟停頻繁影響設(shè)備的使用壽命，并且完成一個(gè)起重過程的時(shí)間很長，沒有充分利用設(shè)備本身的能力。

理想的操作模式是：起重機(jī)從船尾向左舷開始起吊轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，抗橫傾泵組全部開啟;當(dāng)抗橫傾泵組打到要求的水量后，抗橫傾泵組全部關(guān)閉。在這一過程中，通過調(diào)整起重機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證船舶橫傾控制在安全范圍內(nèi)，并且抗橫傾泵組只開啟關(guān)閉一次，使抗橫傾系統(tǒng)的控制較為簡單，減少抗橫傾系統(tǒng)的造價(jià)，同時(shí)也延長設(shè)備的使用壽命。

本文以煙臺打撈局5 000 t起重鋪管船為目標(biāo)船型，以本船最大全回轉(zhuǎn)起重工況為例，研究上述理想操作模式并給出具體的操作步驟。

4 ? ?最大允許橫傾角和對應(yīng)的函數(shù)最大允許值

基于《2011國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》的要求，本船全回轉(zhuǎn)工況允許的橫傾角不超過5°;基于起重機(jī)廠商設(shè)計(jì)的要求，允許的橫傾角為3.5°。引起船舶橫傾的除了起吊荷重傾側(cè)力矩和壓載水調(diào)載的抗橫傾力矩之外，還包括風(fēng)壓傾側(cè)力矩。本船風(fēng)壓傾側(cè)力矩引起的橫傾角約1°，因此起吊荷重傾側(cè)力矩和壓載水調(diào)載的抗橫傾力矩允許的橫傾角為2.5°。

根據(jù)公式（7），本船最大全回轉(zhuǎn)起重工況（橫傾角取為2.5°）對應(yīng)的函數(shù)最大允許值y（t）=0.078。

由公式（6）可知：對應(yīng)函數(shù)最大允許值與排水量、初穩(wěn)性高度、最大允許橫傾角成正比;與全回轉(zhuǎn)起重機(jī)起吊荷重橫向最大傾側(cè)力矩成反比關(guān)系。因此對于大型全回轉(zhuǎn)起重船，可以參考此點(diǎn)選擇主尺度，以滿足船舶穩(wěn)性要求和保證起重機(jī)操作的可行性。

5 ? ?起重機(jī)操作模式

以下所有操作模式都假定起重機(jī)開始從尾部旋轉(zhuǎn)時(shí)抗橫傾泵開啟，達(dá)到最大傾側(cè)力矩時(shí)間tc后抗橫傾泵關(guān)閉。

起重機(jī)每一個(gè)步驟的操作，可以用旋轉(zhuǎn)圓頻率w和初始相位角θ以及對應(yīng)運(yùn)行時(shí)間t表示，確定以上參數(shù)即可以完整表達(dá)起重機(jī)的操作步驟。

通過對函數(shù)求導(dǎo)可以得出對應(yīng)函數(shù)極值，通過比較函數(shù)極值與最大允許值可以判斷船舶橫傾是否在規(guī)定范圍內(nèi)，即可判斷對應(yīng)操作模式是否可行。

5.4 ? 操作模式總結(jié)

上述起重機(jī)從船尾旋轉(zhuǎn)到一舷的過程中，抗橫傾泵組只開啟關(guān)閉一次，對于泵組的操作要求極為簡單，極大地降低了抗橫傾系統(tǒng)的造價(jià)，也增加了抗橫傾系統(tǒng)的使用壽命。

由于采用了去量綱化的函數(shù)，所以函數(shù)極值與起重機(jī)的能力和抗橫傾泵流量等參數(shù)都沒有關(guān)系，對不同的全回轉(zhuǎn)起重船的典型起重工況，只需要根據(jù)規(guī)范和起重機(jī)能力選取船舶最大允許橫傾角即可根據(jù)公式（6）算出函數(shù)最大允許值，然后選用函數(shù)極值小于函數(shù)最大允許值的模式進(jìn)行起重機(jī)操作，即可滿足船舶安全要求。

對于本船而言，即使是最大全回轉(zhuǎn)起重工況（主鉤幅度45 m、起吊3 500 t貨物），按照起重機(jī)操作模式（二）（E）即可以保證船舶的安全;本船起重機(jī)最大吊重下旋轉(zhuǎn)速率為每分鐘0.15轉(zhuǎn)，即wmax=0.942，而按照模式（三）（D）只需要w=0.161，因此本船起重機(jī)轉(zhuǎn)速屬于超配，可以降低起重機(jī)旋轉(zhuǎn)速度從而降低起重機(jī)的價(jià)格。

6 ? ?起重機(jī)操作自動(dòng)控制

本文所述計(jì)算方法可以在軟件中直接編程實(shí)現(xiàn)：首先將本文所介紹的計(jì)算方法編入裝載儀，起重機(jī)自身的重量和重心可以在裝載儀中自動(dòng)求出;手動(dòng)輸入起吊貨物重量和主鉤幅度，可以自動(dòng)求出對應(yīng)裝載工況的排水量、初穩(wěn)性高和起吊荷重橫向最大傾側(cè)力矩;直接在裝載儀中選擇本次作業(yè)擬開啟的泵或泵組，可以自動(dòng)求出抗橫傾泵總流速和調(diào)撥的壓載水橫向移動(dòng)距離;設(shè)定最大允許橫傾角后，可以自動(dòng)求出對應(yīng)的函數(shù)最大允許值;選擇在安全范圍內(nèi)的操作模式后，可以直接輸出起重機(jī)操作步驟（轉(zhuǎn)速、操作時(shí)間、旋轉(zhuǎn)角度）;信號反饋至起重機(jī)操縱室，按照步驟操作即可。

7 ? ? 對起重船操作穩(wěn)性要求的補(bǔ)充

（1）ABS《近海供應(yīng)船建造和入級規(guī)則》第5篇第9章附錄1[3]，對起重船的穩(wěn)性范圍和失鉤后的穩(wěn)性做了要求;

（2）中華人民共和國海事局《2011國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》第4篇對旋轉(zhuǎn)式起重船的穩(wěn)性做了要求，其中對傾側(cè)力矩是合并考慮起重船承受的風(fēng)壓傾側(cè)力矩、起重機(jī)起吊荷重傾側(cè)力矩以及船舶不對稱裝載傾側(cè)力矩（抗橫傾力矩）。只要設(shè)置了足夠容量的抗橫傾水艙，則穩(wěn)性計(jì)算中起吊荷重傾側(cè)力矩和抗橫傾力矩合值為零。使用NAPA軟件[4]，計(jì)算得出本船的穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)為16.7>1，滿足規(guī)范要求;最小初穩(wěn)性高度為4.85 m>0.7 m，滿足規(guī)范要求。

本文考慮實(shí)船全回轉(zhuǎn)起重操作過程中，起吊荷重傾側(cè)力矩和抗橫傾系統(tǒng)傾側(cè)力矩在動(dòng)態(tài)配合過程中引起的橫傾角，實(shí)際上是對起吊荷重傾側(cè)力矩和抗橫傾力矩合值為零進(jìn)行修正，可認(rèn)為是對起重船穩(wěn)性衡準(zhǔn)的有益補(bǔ)充。因?yàn)橥ㄟ^對操作模式的探討表明，即使是按照操作模式（三）（D）進(jìn)行操作，起吊荷重傾側(cè)力矩和抗橫傾力矩合值仍然是起吊荷重傾側(cè)力矩的0.021倍。因此在設(shè)計(jì)大型全回轉(zhuǎn)起重船時(shí)，即使配置了足夠容量的抗橫傾水艙，也應(yīng)考慮在起重船承受的風(fēng)壓傾側(cè)力矩、起重機(jī)起吊荷重傾側(cè)力矩以及船舶不對稱裝載傾側(cè)力矩之外，還需要增加一個(gè)力矩，這個(gè)力矩可以表達(dá)為最大起吊荷重傾側(cè)力矩與系數(shù)的乘積，該系數(shù)如取0.03，則計(jì)算得出穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)為5.6>1，滿足規(guī)范要求;最小初穩(wěn)性高度為4.85 m>2.0 m，滿足規(guī)范要求。

8 ? ?結(jié)語

本文以5 000 t起重鋪管船為例，系統(tǒng)分析了大型全回轉(zhuǎn)起重船抗橫傾系統(tǒng)和起重機(jī)的操作配合問題。討論了如何給出船舶橫傾的安全范圍，建立了回轉(zhuǎn)起重作業(yè)過程中引起船舶橫傾的數(shù)學(xué)模型，最終推導(dǎo)出合適的回轉(zhuǎn)起重操作模式。通過操作模式分析，給出了起重機(jī)最大吊重時(shí)的合適的旋轉(zhuǎn)速度，為購買起重機(jī)的參數(shù)選擇提供了依據(jù)，可以防止起重機(jī)超配而造成浪費(fèi)。本文的操作模式可以有效減少抗橫傾泵的啟停次數(shù)，延長設(shè)備使用壽命。

本文對抗橫傾系統(tǒng)和起重機(jī)的操作配合的探討，是對起重船穩(wěn)性衡準(zhǔn)的有益補(bǔ)充，可以進(jìn)一步保障船舶安全。

參考文獻(xiàn)

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