3800马力全回转拖轮结构设计【文献综述】

文献综述
船舶与海洋工程
3800马力全回转拖轮结构设计
摘要：建国初期，营运船舶大多是几千吨级杂货船，万吨级船舶非常少见，拖轮大多是功率几百匹马力的蒸汽机、单桨、单舵型。

船舶进出港几乎是靠大船自身的能力（车、舵、锚、缆）靠离泊。

拖轮在船舶进出港操作中作用甚微。

上世纪6、70 年代至80年代初，营运船舶的主船型达到了1.5 万吨级至3.5 万吨级。

拖轮以国产1 670（HP）单车、单桨、单舵为主型，船舶进出港操作中除靠大船自身能力外，拖轮可以起到一定的顶拖作用。

九十年代至今，营运船舶主船型达到了3.5 万吨级至30 万吨级。

拖轮以2000～5200HP 全回转型为主体，在船舶进出港操作中起着不可替代的作用。

随着我国海运业务的快速发展，拖轮在大型船舶进出港操纵中的作用愈显突出。

[ 1]自上世纪80年代以来,全回转拖轮被广泛地应用于港口作业,特别是港口内部的大型船舶调头，大船靠离泊等。

其操纵灵活,安全可靠的优越性已显露无疑,并得到了广泛的认同,已经全取代了原来的普通型拖轮。

[ 2]
全回转拖轮的操纵特点及其性能
全回转拖轮即ZP 型拖轮,配备2 个Z 型推进器, 英文称‘duckpeller’, 通常称为D/ P。

D/ P 系统主要由旋转机、离合器和液压操纵装置3 部分组成。

其功能是实现由船舶主机至螺旋桨的动力传输以及螺旋桨和导流管的360°回转。

所以全回转拖轮具有较为明显的特能:
(1) 操纵系统简单。

在主机运转状态下,改变螺旋浆角度即能达到控制船速和改变运动的方向,特别是对倒车的过渡省去了主机的换向,大大缩短了时间。

(2) 马力大、船舶长度小,再加上平滑的船底,确定了全回转拖轮操作灵活的特性。

(3) 旋回性能好。

快速的原地掉头,旋回圈进距、横距为零,转向180°只需10 - 15s ,比传统的单车船节省一半以上。

(4) 船舶能够横向移动。

当左右螺旋桨分别向前转动一个角度后,再
加上车的配合,拖轮在转船力矩和尾部的横向分力的作用下开始做横移运动。

(5) 稳性好。

全回转拖轮的稳心比一般拖轮高,并且由于其以首拖为主,消除了拖轮使用拖钩所引起的横倾力矩,使全回转拖轮倾侧和倾覆的可能性大大减小,使拖轮的安全有了保障。

(6) 舵效好。

全回转拖轮的螺旋浆可任意转动,这就不需要通过舵来取得舵力,大大地提高了舵效,同时又不受最大有效舵角35°的限制,左右螺旋浆同时转动和首尾线成90°,使转船力矩达到最大。

(7) 使用方便。

顶推时不用带缆即可作业,且顶推位置可随意变换。

进车和倒车的拖力相差不大,因其拖缆是在船头的绞缆机上且收放自如,在顶拖大船时可随时调整拖缆长度,并可向各个方向施力。

(8) 视野开阔。

在驾驶台的操作部位,不用移动太多的距离,即可看见本船船头和船尾,方便拖轮驾驶员了解本船周围情况。

全回转拖轮在港口的作业种类
1 协助大船靠离泊
大船在靠离时,由于其操纵性能的限制,通常使用两艘全回转拖轮协助平行靠泊或离泊,为了避免由于大船前冲后缩造成碰撞前后船舶或码头,要求两艘全回转拖轮的推力或拖力方向尽量与大船的首尾线方向垂直并且根据两拖轮的就位点调整其推力或推力的大小。

2 协助大船转向或掉头
协助船舶转向或掉头是拖轮的主要用途之一,大型船舶靠离泊前的转向或掉头非常困难,因港内水域狭窄、水流复杂、大船船速慢、舵效差。

根据力学原理,船舶只要发生转动就一定需要转船力矩,不使用拖轮根本不能达到转向和掉头的目的。

3 超大型船舶的护航
根据各港的实际情况,吃水超过一定高度的船舶进出港都要有拖轮护航。

为了充分发挥拖轮护航的作用,一般将拖轮的拖缆带在大船的船尾正中的出缆孔,其主要目的是协助大型船舶克服风、流的影响,通过全回转拖轮的灵活操作,克服大船的左右偏转和降速。

4 接送引航员上下船
接送引航员上下船也是全回转拖轮作业的一部分,护航过程中更是普遍。

虽然其在港内操作灵活,但是在接送引航员中却表现出其不足之处:引
航员上船后,全回转拖轮不能向其他引航船那样满舵前进离开大船。

因其船尾是方形的,只能把尾摆开一定的角度,倒车摆脱大船,在大船超过6kn 速度时,由于受纵向流的影响,很难和大船离开,这就要求大船在当时环境允许的情况下尽量降低船速,保证拖轮安全离开。

相反,如果选择在大船正船尾接送引航员,就会表现出其他引航船无法相比的优势。

5 用拖轮减速制动
用拖轮减速制动是全回转拖轮的又一重要用途。

由于有些港口航道狭窄及富裕水深较小,再加上顺流、岸推、岸吸对大型船舶的影响,一般都根据情况慢速行驶,但大船自行减速,必须停车,导致失去舵效,给船舶操纵带来困难。

为了快速安全地降速,大船船长和引航员常采用尾正中一全回转拖轮吊拖的方法,以达到既降速又可维持舵效,从而实现顺利的靠泊。

6 护闸
就我国天津港来说，天津新港船闸是连接海河与新港的唯一通道,海河中下游有可供使用的商用泊位近50个。

大船进闸时,闸口两侧的水被挤出,再加上受风、流的影响,船速、航向很难控制,为了保障过闸船和船闸设施的安全,大船船长和引航员大都使用全回转拖轮护闸,提高大船过闸的安全系数,改善过闸船的操纵性能,防止意外事故的发生。

[ 3]
基于 CCS 规范船体结构设计中几个要点的处理
中国船级社（CHINA CLASSIFICATION SOCIETY）是中国唯一从事船舶技术检验的专业机构。

遵照国家有关法律、法规、规定及有关国际公约、规则，CCS 专门为船舶及海上设施而制定和颁布的技术规范和标准，是船舶按照《中华人民共和国海上交通安全法》规定，为了必须具有船舶检验部门签发的有效技术证书，所必须遵循的技术要件。

船体结构设计的成功与否，取决于对以下几个关键要点问题的处理是否妥当。

[4] 1 相应规范的选取
设计船舶的种类不同，则被其管辖的规范就可能不同。

选取适用的规范是进行船体结构设计的第一步，适用的规范既是设计的准则，也是审图的依据。

一般根据船舶的种类、主尺度、尺度比、航区和骨架形式等具体情况进行分析判断，选择适用而必需遵守的完整规范及具体章节条款。

[4] 2 船型的标准化和尺度的系列化
对于航行于川江及三峡库区、京杭运河的客船、油船、化学品船、载
货汽车滚装船、集装箱船、货船（机动驳船）等6 种船型系列,设计人员一定要执行交通部关于船型标准化的规定，须按照标准船型“技术方案”下述的指标要求（包括以下主要内容：船舶规格书、船舶总布置图、船舶线型图、基本结构图、船中横剖面图、机舱布置图、轴系布置图；主要设备选型清单）；或按照“船舶主尺度”为形式的标准船型（只对船长、船宽、型深和吃水等）要求，仍然依据CCS 的规范，进行船舶结构等方面设计并申请设计检验。

符合上述要求的船舶，即为标准船型。

[4]
3 船体构件尺寸的正确性
确定船体构件尺寸的一般顺序是：先选择合适的结构型式、确定肋骨间距，然后可按：外板、甲板、船底骨架、舷侧骨架、甲板骨架及支柱、舱壁、首尾柱、首尾结构、上层建筑及甲板室、机炉座、其它、总纵强度校核等顺序，查CCS 规范对应公式进行计算，综合考虑各种因素的影响，最后选定结构尺寸。

船体板材、构件的尺寸是否合理，取决于公式的应用、参数的选取和计算的正确性。

用[4]
4 船体结构的连续性
船舶无论采用横骨架式还是纵骨架式还是混合骨架式，其纵向构件均应有良好的结构连续性；甲板、舷侧及船底骨架应能有效连接，构成完整的刚性整体。

各种构件，除另有规定外，不应任意开孔；一种结构形式或某一构件在其布置方向上不能突然中断或尺寸突变，以免破坏内力的传递和引起严重的应力集中。

为了减少应力集中，所有船体构件的剖面形状应有平顺的过渡。

[4]
5 船体结构的整体性和节点的选择
船体结构设计时首先应遵循的基本原则是：有关构件应布置在同一平面内，以组成封闭的整体框架结构共同承受载荷的作用。

例如，肋板-肋骨-横梁形成的横框架；甲板纵桁-横舱壁竖桁-内龙骨或底纵桁形成的纵向强框架；甲板纵骨-横舱壁垂直防挠材-内底纵骨或船底纵骨形成的纵向次强框架；舷侧纵桁-横舱壁水平桁-纵舱壁水平桁形成的水平框架。

每一个框架的角隅处就是不同走向构件组成的节点，它是船体结构中较复杂的部位。

节点处构件彼此之间一般采用肘板连接，设计类型合理、尺寸足够的肘板，可以保证框架的刚性连接，可靠传递内力，减少应力集中。

规范中对于肘板的尺寸、节点的型式按节点所在部位，均有相应的规定和图示要求。

[4]
6 受力的均匀性和载荷的有效传递
船体结构构件的布置要尽可能均匀，以避免船体过重、构件规格太多，造成材料的浪费。

合理的结构应保证某一构件承受外力后，能有效地将力传递到相邻的构件上去，以避免某一单独的构件承受外力。

在常规民用船舶的结构设计中，以下几处应特别留意：其一，支柱的上下端应固定在纵、横强构件交叉的节点上，各层甲板间的支柱尽可能布置在同一垂线上，使支柱所承受的力能有效地传递给甲板和船底结构；其二，当甲板或船底为纵骨架时，舷侧普通肋骨的端部应以肘板与相邻的甲板及船底纵骨相连；其三，当舷侧采用普通肋骨与强肋骨的交替
肋骨制时，一般应设舷侧纵桁，使普通肋骨承受的载荷，能通过舷侧纵桁传递给强肋骨；第四，如果支柱仅由实肋板支持时，则相邻两档实肋板之间应设置短纵桁。

[4]
7 构件的加强
船体结构还普遍存在须进行局部加强的问题。

这是由于某些构件或有些部位的甲板、外板局部性的特殊原因（如局部荷重、腐蚀、磨损、承受振动载荷作用、应力集中等）所致。

通常局部加强的方法有：局部用加厚板，局部加覆板，局部增加骨架的尺寸或支撑。

结构设计时，要按照CCS 规范的具体要求，对以下部位应给予局部加强：位于主机座下面的船底板；尾轴出口处的外板；螺旋桨顶端的外板；锚链筒出口处的外板；甲板开口的角隅处；上层建筑根部的甲板；桅杆、救生艇架、系缆桩等与船体相连的结构等等。

[4]
8 CCS 规范中的一些基本规定
在结构的布置上规范有某些规定。

例如，为了保证船舶的安全性，船长76m以上的海船和40m以上、常年航行于J 级航段的内河船，应设双层底，并尽可能由首尖舱壁延伸至尾尖舱壁。

结构设计时，应充分满足此规定. 象有些内河船因其型深小或别的原因，设置双层底确有困难，则可在舭部设置防撞边舱。

另外，规范要求，如没有特殊规定，所有船体骨架上不得任意开孔。

即使允许开口时，其排列和开口位置、尺寸也有专门的要求。

[4]
对于拖轮结构的优化设计
随着船舶事业的发展、计算理论及计算手段的更新,船舶结构设计的理论和方法也在不断地更新发展。

不论是规范法设计还是计算法设计,半概率的直接计算法还是概率设计计算法, 都是在安全适用的前提下寻求最。