滾裝船裝運特大型重裝備捆綁加固研究

劉寶新， 董 楠

(1.陸軍軍事交通學(xué)院聯(lián)合投送系，天津 300161；2.陸軍軍事交通學(xué)院五大隊研究生隊，天津 300161)

目前滾裝船是裝運重裝備實施海上運輸?shù)氖走x船型。船舶在海上航行過程中，會受到風(fēng)力、海浪沖擊力以及慣性力等各種不同方向力的綜合作用，船舶在發(fā)生不規(guī)律的顛簸和搖擺的同時，船上裝載的裝備也會隨之運動，產(chǎn)生一定的空間位移趨勢。如果沒有外力對裝備進行強力的約束，就很有可能會產(chǎn)生較大的加速度，并進而發(fā)生明顯的位移，導(dǎo)致裝備與船艙發(fā)生碰撞或者相互撞擊，對船體和裝備本身造成不可估量的損害，嚴重危及航行安全。特大型重裝備為滿足海上運輸要求，必須進行可靠的系固。

1 裝備捆綁加固方案設(shè)計

1.1 捆綁加固器材類型及性能

當(dāng)前，海上運輸常用的捆綁加固器材主要有非制式捆綁加固器材和制式捆綁加固器材。非制式捆綁加固器材主要有三角木、方木、鐵絲、鋼絲繩、繩索、絞棍等，主要應(yīng)用于緊急情況下或制式器材不足時[1]。利用非制式器材進行捆綁加固時，先將三角木、方木置于車輪前后，將鋼絲繩一端與牽引鉤連接，另一端與船體連接，鋼絲繩中間使用絞棍收緊。

制式捆綁加固器材主要包括海船裝運重裝備捆扎設(shè)備、加固帶等。海船裝運重裝備捆扎設(shè)備(如圖1(a)所示)由球頭鉤、掛鉤、卸扣、綁扎鏈、收緊器等組成，其破斷力可分為5、7.5、10和16 t共四個等級，用于綁扎50 t以下的重型裝備。加固帶(如圖1(b)所示)是由尼龍、錦綸等纖維織物編制而成的，便于儲運和操縱，是綁扎車輛的常用器材，其破斷力分為2、3、5和8 t共四個級別。

圖1 常用制式捆綁加固器材

1.2 捆綁加固基本要求

重裝備在進行捆綁加固時，在遵循輪式車輛基本加固要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該根據(jù)裝備特點采取適當(dāng)措施以確保對裝備進行有效約束。一是合理選擇系固點位置。為保證系固穩(wěn)定，重型輪式車輛應(yīng)在裝備上選取最強位置系固。不同于一般的民用輪式車輛可以選擇車輛輪轂作為系固點，超重裝備系固點不能選在車輪、擋板、保險杠等易活動位置，一般選在車架的左右兩側(cè)，以及前后拉車鉤上，盡量使系固力作用于底盤上。二是選擇合適的系固器材。要根據(jù)裝備的重量、風(fēng)浪的等級等因素，選擇數(shù)量合適的系索，保證系索的破斷強度滿足系固需要。三是系固角度要合適。民用輪式車輛因為其重心較低，質(zhì)量較小，在系固器材數(shù)量和強度都合適的情況下可根據(jù)情況選擇適當(dāng)?shù)南倒探牵粚ο倒探嵌冗M行硬性要求。超長超寬超重超高裝備在運輸過程中因為船舶搖晃產(chǎn)生的慣性力較大，系固角過小不利于防止裝備傾倒，系固角過大則不利于防止裝備水平移動。因此，為避免裝備在運輸過程中發(fā)生位移，在捆綁加固時應(yīng)采取合適的系固角，一般要求垂直系固角不超過60°，水平系固角不超過40°。四是系索盡量橫向和縱向?qū)ΨQ分布。系索對稱布置，可使裝備左右及前后受力均衡，不會形成一側(cè)受力過大而失效的不利情況[2]。一般在裝備前后采用“正八字”形式交叉系固，在裝備兩側(cè)采用“正八字”或“倒八字”的形式對稱系固，還應(yīng)注意的是在對重大裝備進行系固時，系固在同一個地鈴或底座上的系索，不能超過3根，且受力方向不能相同。同時，因為車輛在船上裝載時縱向積載比橫向積載需要的系固器材更少[3]，所以重裝備裝載時盡量要選擇縱向積載，這樣超長裝備在進行裝卸時也能盡量沿直線行駛，減少裝備上下船所耗費的時間。

1.3 捆綁加固方案制訂

特大型的輪式裝備本身慣性大、摩擦力小，容易產(chǎn)生移動，是捆綁加固的難點。導(dǎo)彈部隊要結(jié)合實際海況條件，研究制定合理的捆綁加固方案。在此選取了某型號重裝備作為研究對象設(shè)計出一種較為合理的捆綁加固方案，并進行校核計算，驗證其可靠性。參數(shù)為：外形尺寸16 460 mm×3 050 mm×3 560 mm(長×寬×高)，質(zhì)量50.5 t，軸距11 200 mm，重心高度1 780 mm。

需要利用的捆綁加固器材有：三角木20塊，最大系固負荷MSL為10 t(約100 kN)的綁扎鏈(或加固帶)12根。當(dāng)車輛上船定位熄火后，拉上手剎并自鎖，在其車輪前后用三角木掩緊。隨后用綁扎鏈進行系固，分別在裝備第2軸前后、第1軸前和第5軸后、第3軸前和第4軸后拉成八字形，借助掛鉤鉤于地鈴上，用螺旋式張緊器鎖緊。具體的捆綁加固樣式如圖2所示。

圖2 某型號導(dǎo)彈運輸車捆綁加固示意圖

2 捆綁加固方案校核

目前，軍用裝備海上捆綁加固技術(shù)標準還不健全，加固方案的設(shè)計還在不斷嘗試和摸索階段。因此，針對本文提出的捆綁加固方案，必須進行科學(xué)的系固強度校核，來進一步驗證加固方案的可靠性。根據(jù)國際海事組織(IMO)對于系固校核的相關(guān)規(guī)定CSS (Safe Practice for Cargo Stowage and Securing)，本文主要通過精算法對上述系固方案進行強度校核。

2.1 確定校核評判標準

裝備在綜合外力下的平衡條件是：Fhoy≤[Fy]時，裝備不會發(fā)生橫向移動；Fhox≤[Fx]時，裝備不會發(fā)生縱向移動；Mx≤[Mx]時，裝備不會發(fā)生橫向傾覆。式中：Fhoy為裝備在橫向的水平移動力；[Fy]為裝備貨件移動的橫向約束力；Fhox為裝備在縱向的水平移動力；[Fx]為阻止裝備移動的縱向約束力；Mx為裝備橫向傾覆力矩；[Mx]為阻止裝備橫向傾覆的約束力矩。

若同時滿足以上要求，則表明捆綁加固方案合格。

2.2 裝備受力情況分析

本文研究的條件主要是借助滾裝船來實施跨海輸送，重裝備配載于滾裝船船艙內(nèi)甲板，暫不用考慮海風(fēng)的風(fēng)壓力和海浪帶來的波濺力影響。另外，系固前會在輪胎前后鋪設(shè)三角木以制動裝備，但是系索的約束力必須保證裝備在任何情況下的穩(wěn)定，包括三角木等制動器材的失效。因此，本文中的系固校核計算中暫不考慮三角木對裝備受力的影響，被系固的裝備主要受到慣性力、系固力和摩擦力的綜合作用。

2.3 各種力的計算[4]

2.3.1 慣性力

裝備在慣性力的影響下，會產(chǎn)生慣性加速度。因此，慣性力在各個方向上的分量可表示為：

Finx=max

(1)

Finy=may

(2)

Finz=maz

(3)

式中：ax為縱向加速度；ay為橫向加速度；az為垂向加速度。

在標準情況下，基本加速度取值參考圖3所示。

注：該表所給出的基本加速度值的條件為無限航區(qū)，全年航行，航次時間為25 d，船舶長度為100 m，服務(wù)航速為15 kn(1 kn=0.514 m/s)，B/GM≥13(B為船寬，GM為穩(wěn)性)。若船舶航行于遮蔽水域中，則應(yīng)根據(jù)季節(jié)和航行時間適當(dāng)降低所列加速度值。圖3 標準船長、航速下的基本加速度

若船舶長度不等于100 m，航速不等于15 kn時，加速度值要做出一定修正，具體參數(shù)如表1所示。

表1 船長和航速修正系數(shù)

當(dāng)船長L及航速V在表1中仍沒有對應(yīng)數(shù)據(jù)時，可以根據(jù)式(4)計算出具體的修正系數(shù)k1：

(4)

當(dāng)B/GM<13時，橫向加速度還要進行再修正，具體系數(shù)值k2按表2進行確定。

表2 船舶穩(wěn)性修正系數(shù)

當(dāng)k2值無法從表格中直接確定時，可以通過求解線性方程的方法來進一步求取。

2.3.2 系固力

一般對于斷裂強度為BS的系索，其擁有的最大系固負荷MSL=BS×δ，其中δ為破斷系數(shù)，根據(jù)使用次數(shù)的不同，取值一般在0.8～0.3之間。在工作實際中，為保證系固工況正常，還應(yīng)為系索賦予一定的安全系數(shù)，取值一般為1.35。

因此，系索的計算拉力值為：

(5)

若同時考慮垂直系固角α和水平系固角β，則一根系索作用于裝備的系固力F可以分解為垂直于甲板的力Fz和平行于甲板的力Fxy，F(xiàn)xy又可以分解為縱向的分力Fx和橫向的分力Fy(如圖4所示)。

圖4 系索拉力值的分解

系索各方向的拉力為：

Fz=Fsinα

(6)

Fxy=Fcosα

(7)

Fx=Fxysinβ=Fcosαsinβ

(8)

Fy=Fxycosβ=Fcosαcosβ

(9)

2.3.3 摩擦力

由于系固力產(chǎn)生垂直于甲板面向下的分力，因此摩擦力會相應(yīng)增大,設(shè)摩擦系數(shù)為μ，其取值一般為0.3。

2.4 校核條件分析

2.4.1 橫向受力

由于系索拉力在Z軸方向上有一個向下的分力，從而會增加裝備與甲板間的摩擦力。因此，綜合所有系索產(chǎn)生的橫向拉力和摩擦力，裝備受到橫向約束力

(10)

因為慣性力作用，裝備受到的橫向移動力為：

Fhoy=Finy=mαy

(11)

若Fhoy≤[Fy],說明橫向系固合格。

2.4.2 縱向受力

由于裝備的慣性加速度在Z軸方向上產(chǎn)生一個向上的分力，會減小裝備與甲板的摩擦力。因此，裝備受到縱向約束力：

(12)

裝備受到的縱向移動力為：

Fhox=Finx=mαx

(13)

若Fhox≤[Fx],說明裝備縱向系固合格。

2.4.3 橫向傾覆

系索拉力的縱向分力對裝備傾覆沒有約束作用，因此只考慮橫向分力、垂向分力以及裝備自重對傾覆軸產(chǎn)生的約束力矩即可。重裝備種類繁多，重心高度各不相同，但是基本位于裝備中心位置，因此，本文將重心高度統(tǒng)一按照0.5h計算。裝備傾覆力矩示意圖如圖5所示。

圖5 橫向傾覆力矩

則橫向約束力矩為：

[Mx]=0.5mg(b-b1)+

(14)

式中：li為系固點到橫傾軸o的垂向高度；0.9為安全系數(shù)；b為裝備寬度；b1為輪胎寬度。

設(shè)系索產(chǎn)生的力矩為：

(15)

橫向移動力產(chǎn)生的傾覆力矩為：

Mx=0.5hmαy

(16)

若Mx≤[Mx]，說明裝備防傾覆系固合格。

2.5 校核計算

設(shè)定系固方案基礎(chǔ)信息：承運船舶長127 m，船寬B為20.5 m，航速12.5 kn，初穩(wěn)性高度GM為1.7，B/GM為12。裝備指標如前所示，車輛輪胎寬度350 mm。擬裝載在船舶二層車輛甲板，裝載位置距離船尾0.8倍船長。系固采用對稱系固方式，每側(cè)6根系索，從車頭至車尾系索垂直系固角和水平系固角分別為(35°，30°)、(30°，40°)、(30°，25°)、(30°，25°)、(30°，40°)、(35°，30°)，系固點高度均為2 m，系索最大系固負荷MSL為100 kN。

2.5.1 計算加速度

因為B/GM為12<13，可查閱表2，得k2=1.03。進而可以求得修正加速度值為：αx=1.560 m/s2,αy=4.740 m/s2,αz=5.928 m/s2。

2.5.2 橫向受力校核

由于裝備是對稱捆綁加固，橫向移動和傾覆校核只需要選擇一側(cè)進行校核即可。

橫向約束力[Fy]=471.086 kN,橫向移動力[Fhoy]=may=239.37 kN,Fhoy≤[Fy]，裝備不會發(fā)生橫向移動。

2.5.3 縱向受力校核

因為裝備一側(cè)的6根系索中各有3根向前的系索和向后的系索，且水平系固角和垂直系固角都一一對應(yīng)，所以裝備的縱向移動校核只需要選擇方向相同的3根系索進行校核。

縱向約束力[Fx]=160.406 kN, 縱向移動力[Fhox]=max=78.78 kN,Fhox≤[Fx]，裝備不會發(fā)生縱向移動。

2.5.4 橫向傾覆校核

橫傾約束力矩[Mx]=1 178.599 kN·m，橫傾力矩Mx=426.079 kN·m，Mx≤[Mx]，裝備不會發(fā)生橫向傾覆。特別需要說明的是僅計算裝備自身重力所產(chǎn)生的橫傾約束力矩[Mx]=0.5mg(b-b1)=681.75 kN·m，也能滿足Mx≤[Mx]，表明裝備即使不加固捆綁也不會發(fā)生橫向傾覆。

2.6 結(jié)果分析

綜合以上校核計算結(jié)果可以看出，此加固方案是合理可行的。但是當(dāng)船舶高速頂浪航行、隨浪或隨尾斜浪航行和發(fā)生嚴重橫搖共振等情況時，加速度值可能超過圖1中的數(shù)值，因此船舶在航行過程中應(yīng)避免出現(xiàn)這種情況[4]。為了確保航行安全，重裝備在跨海輸送途中要注意加強檢查，及時掌握裝備捆綁加固狀況，發(fā)現(xiàn)問題及時糾正。

3 結(jié)束語

目前，特大型重裝備海上運輸捆綁加固技術(shù)標準還不完善，專用捆綁加固器材還沒有列裝使用。本文提出的捆綁加固方案及校核方法，適用于大多數(shù)重大型裝備，且方便操作，易于掌握，具有很好的實用性和參考價值。