98 m高速客滾船車輛系固安全性校核系統(tǒng)

向祖權, 余林科, 劉 楊

(武漢理工大學 交通學院， 湖北 武漢 430063)

0 引 言

98 m高速客滾船船長98 m、型寬26 m、型深13.2 m，滿載排水量1 800 t，全船采用鋁合金材質(zhì)，航速高達40 kn。該船可裝載260輛小型車輛(長×寬：4.5 m×2.3 m)，或擁有380 m長卡車道(長×寬：3.10 m×4.35 m)并裝載80輛小型車輛(長×寬：4.5 m×2.3 m)。此外，客艙級別有標準型、經(jīng)濟型、休閑型、豪華型及VIP型等，可容納780名旅客。

380 m長卡車道主要用于集裝箱半掛車，集裝箱半掛車裝載的集裝箱類型主要為20英尺(1英尺=0.304 8 m)和40英尺。國家標準GB 1598-1989《汽車外廓尺寸限界》規(guī)定，半掛汽車列車總長度不超過16.5 m，總寬度不超過2.5 m，總高度不超過4.0 m。

客滾船在航行過程中經(jīng)常受到風、浪、流的聯(lián)合作用而發(fā)生搖蕩，當其運載的車輛系固效果不佳時會發(fā)生滑移或傾覆，這易引起船舶穩(wěn)性的改變，在一定程度上影響客滾船的航行安全。英國勞氏船級社(LR)曾在一份調(diào)查報告中指出，地中海海域發(fā)生的客滾船事故中，超過50%的原因是車輛系固不牢而發(fā)生了移動。因此，研究該高速客滾船的車輛系固方式，校核其系固安全性，對于船舶在投入運營后其車輛的系固安全性有著重要的保障。

1 系固方案設計

根據(jù)IMO《貨物積載與系固安全操作規(guī)則》[1]，滾裝船汽車貨載的系固屬于滾動(輪載)貨物的安全系固問題。

對于小轎車而言，其尺寸小、質(zhì)量輕，其總質(zhì)量一般不超過3.0 t，因此采用尼龍織帶或錦綸織帶對轎車加以綁扎即可，其甲板系固點的數(shù)量為4個，車輛系固點前后各1個，同時在其前軸輪胎或后軸輪胎下墊以橡膠楔形墊塊，其系固方案如圖1所示。兩輛車前后之間的安全間距為500 mm，左右之間的安全間距為800 mm。綁扎帶在系固點上的水平夾角一般不大于35°。

圖1 小轎車系固方案

集裝箱半掛車屬于載重型汽車，制定系固方案如圖2所示。甲板系固點左右各4個，車輛系固點左右各4個，前后輪軸均用橡膠楔形墊塊加以限位。兩輛車前后之間的安全間距為400 mm，左右之間的安全間距為600 mm。該方案應注意以下幾點：

(1) 車輛系固點上的綁扎設備(鏈條、鋼絲繩、綁扎帶)的捆扎應使其與水平面和垂直面之間的夾角為30°～60°。

(2) 車輛系固點上的綁扎設備應在縱向平面上有向前或向后的夾角，以產(chǎn)生縱向的綁扎力 。一般以車輛中段為目標，在車首段向前傾斜某一夾角，在車后段向后傾斜某一夾角，其夾角沒有特別要求，一般視車輛在船上產(chǎn)生的縱向力而定，但此夾角不能太大。

(3) 綁扎裝置的設計應考慮有一個安全入口通道，如其松動應盡可能重新收緊。如可行與需要，應在整個航行過程中定期檢查，隨時加以收緊。

(4) 在車輛上任何一個系固點的穿孔，應僅能適用于1根綁扎設備進行綁扎。

圖2 集裝箱半掛車系固方案

2 車輛系固安全性校核方法

目前比較常用的系固校核方法有經(jīng)驗估算法和精確計算法[2-3]，經(jīng)驗估算法的結果比較粗略，適用于小件貨物的校核[4]。因此，采用精確計算法，對該高速客滾船的車輛系固進行校核。

2.1 評判標準

根據(jù)挪威船級社(DNV GL)《貨物系固手冊》[5]的規(guī)定，利用精確計算法評價車輛系固效果時，其標準為

(1)

式中：Fy、Fx分別為車輛受到的橫、縱向外力，kN；[Fy]、[Fx] 分別為阻止車輛移動的橫、縱向約束力，kN；My為車輛受到的橫向傾覆力矩，kN·m；[My]為阻止車輛橫向傾覆的約束力矩，kN·m。

2.2 車輛受到的外力

車輛受到的外力包括慣性力、風壓力和波濺力[6-7]。船上車輛在縱、橫和垂向上受到的外力計算式為

F(x,y,z)=Fi(x,y,z)+Fw(x,y)+Fs(x,y)

(2)

式中：F(x,y,z)為車輛受到的縱、橫和垂向力，kN；Fi(x,y,z)為縱、橫和垂向慣性力，kN；Fw(x,y)為由風壓所致的縱、橫向力，kN/m2；Fs(x,y)為由海浪拍擊所致的縱、橫向力，kN/m2。

慣性力在各方向上的分量表達式為

(3)

式中：m為車輛的質(zhì)量，t；ax、ay、az分別為車輛位置處的縱、橫和垂向加速度，m/s2。

各方向上的加速度公式為

(4)

表1 不同位置的修正因數(shù)

計算出車輛受到的各項外力后，則可以得到橫向傾覆力矩為

My=Fy·l

(5)

式中：l為傾覆力臂，m。

2.3 車輛約束力

阻止車輛移動的約束力主要由系索對車輛的約束力和甲板與輪胎間的摩擦力組成：

(6)

圖3 貨物綁扎角示例

2.4 車輛約束力矩

車輛的約束力矩由車輛自身重力產(chǎn)生的力矩與系固設備產(chǎn)生的力矩組成：

[My] =mg·b′+∑CS,i·ci

(7)

式中：b′為車輛重心與橫向翻轉軸之間的水平距離；ci為橫向翻轉軸至各系索的垂直距離，也稱系固力臂，如圖4所示。

圖4 系固力臂

3 系固安全性校核系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)精確計算法校核系固安全性時，涉及參數(shù)較多，計算過程繁瑣。為了實現(xiàn)裝載車輛系固安全性的自動校核，結合某98 m沿?？蜐L船的實際系固情況，基于精確計算法理論，采用Visual C++為開發(fā)平臺，開發(fā)1套98 m高速客滾船車輛裝載系固安全性校核系統(tǒng)，其程序主要功能模塊如圖5所示。

圖5 系固安全性校核系統(tǒng)功能模塊

校核系統(tǒng)采用微軟的Access數(shù)據(jù)庫，通過ADO進行驅(qū)動。車輛信息、裝載信息、系固綁扎件信息、加速度信息等可以通過Excel數(shù)據(jù)表或手工輸入，系統(tǒng)可對加速度、船長、航速等影響系固校核精度的參數(shù)根據(jù)DNV規(guī)范進行相應修正。點擊“計算”按鈕后系統(tǒng)自動對裝載的所有車輛進行安全性校核計算，對于不滿足安全性要求的系固點會報警，操作人員可針對這些不合格系固點進行綁扎參數(shù)修改，然后重新校核，直到所有系固點符合安全性要求。校核系統(tǒng)主要操作界面如圖6所示，在圖6(d)的界面中修改相關參數(shù)后，可重新進行計算。

圖6 校核系統(tǒng)主要功能界面示例

4 結 論

針對98 m高速客滾船的車輛系固安全性問題，根據(jù)其裝載的車輛數(shù)量和車型要求，設計相應的車輛系固方案?；贒NV GL規(guī)范，采用精確計算法，利用Microsoft Visual C++開發(fā)了98 m高速客滾船的車輛系固安全性校核系統(tǒng)。該系統(tǒng)可快速評價該客滾船的車輛系固效果是否滿足要求，當發(fā)現(xiàn)有不滿足要求的項目時，可修改相關系固數(shù)據(jù)再進行校核，直到滿足要求為止。該系統(tǒng)在實船上應用并取得了良好的效果。