大水位差码头新型电磁系泊装置

高谭坤，王多垠，张 可

(重庆交通大学河海学院，重庆 400074)

大水位差码头新型电磁系泊装置

高谭坤，王多垠，张 可

(重庆交通大学河海学院，重庆 400074)

分析现有系泊系统的不足，讨论了电磁技术在码头系泊系统中应用的可行性，并借鉴国内外电磁技术在水运事业中应用的优点，提出了一种新的码头电磁系泊装置。详细介绍电磁系泊装置的基本构成和工作原理，并以新型电磁系泊装置在浮式系靠泊结构中的应用为例，重点进行了系缆力的验算。结果表明:电磁系泊装置具有结构简单、容易制作、操作方便等特点，能够提高系靠泊效率、改善码头结构受力。

电磁系泊;大水位差;码头系泊

西部大开发战略实施以来，西部地区内河港口发展迅速，尤其是三峡工程建成蓄水后，西部水运更是得到了飞跃的发展。但同时新形势下的水文条件对码头的建设也带来了新的挑战。如年水位差超过30 m、日变幅水位达5 m甚至以上等等，而现有系靠船设施难以满足如此大变幅水位的船舶安全停靠和装卸过程的连续性［1-3］。

通过对电磁技术在码头系靠船设施中应用的探讨，提出一种新型码头系泊装置，实现船舶快速靠、离码头，促进码头的自动化程度的提高，为现代码头建设提供新的参考。

1 现有系泊结构

1.1 传统缆绳系泊

为满足现代水运事业的需要，长江上游码头大多采用直立式结构，其系泊结构又多采用分层系缆，以满足丰、枯水期船舶均能靠泊［4］。三峡水库建成后，大型集装箱船可直达重庆，但由于日变幅水位过大，大中型集装箱船装卸过程中需几次系缆和解缆，而目前船舶系解缆都是人工操作，比较费时费力，影响了装卸的连续性，进而降低了装卸效率。

1.2 电磁系泊

目前，电磁技术的发展已经相当成熟［5］，电磁技术已被应用于系泊系统中。在欧洲，有些海港码头采用电磁系泊装置来固定船舶，该装置操作简单，大大缩短了系泊时间(图1)。在国内，郭伟明，等［6］提出船舶磁力系泊装置，用磁力代替缆绳进行系泊，这种系泊装置设计合理、结构简单，但也存在一定的的局限性:该装置只适用于中小船型，对于大型船舶的停靠仍然要依赖传统的缆绳系泊;若要实现这种船舶自动靠离码头，不仅要对船舶进行改造，还要对码头结构实行大面积改造，造价高且可行性低。

2 新型电磁系泊装置

针对现有系泊结构的缺点，借鉴船舶磁力系泊装置的优点，笔者提出将磁力吸盘安装在码头前沿，并结合码头前沿情况加以适当改造，形成一种新的电磁系泊构件，替代传统的缆绳系泊。电磁系泊装置主要由电磁式吸盘和弹性减震器组成(图2)。

图1 海港电磁系泊装置Fig.1 Harbor electromagnetic mooring device

图2 电磁系泊示意图Fig.2 Diagram of electromagnetic mooring

2.1 电磁式吸盘

吸盘有电磁式和永磁式等多种型式，由于电磁式吸盘可控制磁力的大小，能满足不同船型对系缆力的要求，故新型电磁系泊构件采用电磁式吸盘。为满足纵向系缆力的要求，电磁式吸盘的断面被设计成梯形(图3)，并在电磁吸盘的外侧加一层橡胶护垫，以降低船体对吸盘的冲击作用和吸合时的噪音。

图3 电磁系泊装置俯视图Fig.3 Top view of electromagnetic mooring device

2.2 弹性减震器

电磁式吸盘和码头结构之间采用4组弹性减震器和钢绳连接(图3)。每组弹性减振器的两端分别通过球形连接头与吸盘、码头连接，中间的主要部件是弹簧，球形连接头之间由钢绳连接(图4)。在船舶靠岸时起到缓冲作用。4组弹性减振器按前、后、上、下均匀安装，组成弹性半稳定结构，吸盘可以在前、后、上、下方能有一定的移动空间(图5)，这样就能适应装卸过程中船体的倾斜。另外，在电磁系泊装置的外表采用密封防护镀层，起到密封防护的作用，使整个磁力系泊装置除吸合面外全部被密封，并防止弹簧减振器、球形连接器等构件直接暴露而受水、灰尘、空气等的影响腐蚀，从而延长这些构件的使用寿命［6］。

2.3 工作过程

船舶靠岸时，吸盘通电产生磁力，将船系住。船舶离岸时，断开电源即可。以上过程完全可以通过电子程序实现智能控制，大大缩短了靠离码头和移泊的时间。

2.4 电磁系泊构件的选定

在确定电磁系泊构件的尺寸时，首先，按照JTJ 215—98《港口工程荷载规范》［7］计算出系缆力:河港透空式系船靠船结构，水流对船舶作用产生的水流力的船首横向分力Fxsc船尾横向分力Fxmc及纵向分力Fyc可分别按式(1)、式(2)和式(3)计算。

式中:Fxmc、Fxmc分别为水流对船首横向分力和船尾横向分力，kN;Cxsc、Cxmc分别为水流力船首分力系数和船尾分力系数;ρ为水的密度;B'为船舶吃水线以下的横向投影面积，m2。

系缆力标准值N及其垂直于码头前沿线的横向分力Nx和平行于码头前沿线的纵向分力Ny可按式(4)～式(6)计算:式中:F为电磁吸力，kN;μ为真空磁导率，μ=4π×10-7;S为磁路截面积，m2;Kf为漏磁系数，一般为1.2～5.0;δ为气隙长度，mm;N 为线圈匝数;I为电流。

式中:N、Nx、Ny分别为系缆力标准值及其横向、纵向分力，kN;∑Fx、∑Fy分别为可能同时出现的风和水流对船舶作用穿上的横向分力总和及其纵向分力总和，kN;n为计算船舶同时受力的系船柱数目;K为系船柱受力分布不均匀系数，当实际受力的系船柱数目n=2时，K取1.2，n ＞ 2时，K取1.3;α为系船缆的水平投影与码头前沿线所成的夹角，(°);β为系船缆与水平面之间的夹角，(°)。

然后再按照电磁吸力计算公式(7)反算吸盘的面积［8］。

3 实例应用

以新型电磁系泊装置在浮式系靠泊结构中的应用为例(图6)，具体说明新型电磁系泊装置的特点。对于浮式系靠泊结构，考虑靠船桩的受力特点，适当增加浮筒的长度，以避免应力集中，使靠船桩受力更加均匀。另外，为了防止由船体倾斜引起的浮筒被卡的问题，在浮筒的两边加上两组轮子，保证了浮筒顺畅随水位上下移动(图7、图8)。

图6 电磁系泊装置在靠船桩上的应用Fig.6 Zingserv of electromagnetic mooring device applied to dolphin piers

以3 000 t级集装箱船停靠内河码头为例来验算电磁系泊构件对系缆力的满足情况。码头前水流速度按最大流速5 m/s考虑。将数据代入求得:水流对船舶作用产生的水流力船首、尾横向分力分别为:

水流对船舶作用产生的水流力纵向分力:

进而求得系缆力标准值:

N=458.06 kN

系缆力垂直于码头前沿线的横向分力:

Nx=229.03 kN

系缆力平行于码头前沿线的纵向分力:

Ny=396.69 kN

代入式(7)计算得吸盘的面积为:

S=4 m2。

4 结语

电磁技术的发展已相当成熟，而电磁系泊装置结构简单、容易制作、操作方便，因此将其应用到码头系泊系统中是完全可行的。与传统系泊方式相比，电磁系泊具有以下优点:

1)用电磁系缆构件结构简单，操作方便，船舶靠、离码头的时间大大缩短，系靠泊效率得到很大提高;

2)适当减小了码头所受撞击力，增加了码头结构的安全系数;

3)适用于各种结构形式的码头，能满足各种船型对系缆力的需求。电磁系泊构件的应用，取代了几千年缆绳系泊的方式，极大地缩短了系泊的时间，节省了人力物力。

［1］吴友仁，王多垠，吴宋仁，等.长江上游港口码头结构型式及其发展趋势［J］.港工技术，2005(4):22-24.

WU You-ren，WANG Duo-yin，WU Song-ren，et al.The structure and the development trend of the wharf and port in upstream of yangtze river［J］.Port Engineering，2005(4):22-24.

［2］王多垠，田建柱.大水位差架空直立式集装箱码头结构型式研究［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2008，27(1):139-143.

WANG Duo-yin，TIAN Jian-zhu.Research on Structure Pattern of large water-head wverhand-erection container wharf［J］.Journal of Chongqing Universtiy:Natural Science，2008，27(1):139-143.

［3］王多垠，石兴勇，丁德斌，等.内河架空直立式集装箱码头结构计算中的作用效应组合探讨［J］.中国港建设，2005(4):33-35.

WANG Duo-yin，SHI Xing-yong，DING De-bin，et al.Discussion on action effect portfolio of the structure calculation for riverhead vertical container terminal［J］.China Port Construction，2005(4):33-35.

［4］方育平.大水位差地区高桩梁板码头靠船构件的结构形式［J］.水运工程，1996(5):14-16.

FANG Yu-ping.The structure of the opentype beam wharf in large water-head area［J］.Water Transport Engineering，1996(5):14-16.

［5］宋后定.永磁材料及其应用［M］.北京:机械工业出版社，l984.

［6］郭伟明，郭晓晓.实现船舶自动靠离码头的磁力系泊装置［J］.中国舰船研究，2006，1(2):42-44.

GUO Wei-ming，GUO Xiao-xiao.Magnetic control mooring system for ships alongside and leave wharf［J］.The Ship Research in Chinese，2006，1(2):42-44.

［7］JTJ 215—98港口工程荷载规范［S］.北京:人民交通出版社，1998.

［8］JTJ 297—2001码头附属设施技术规范［S］.北京:人民交通出版社，2001.

New Electromagnetic Mooring Component of Large Water－head Wharf

GAO Tan-kun，WANG Duo-yin，ZHANG Ke
(School of River ＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

The shortcomings of the existing mooring system and the possibility of the application of electromagnetic technology in wharf mooring system are analyzed and the advantages of the electromagnetic technology used in water transportation at home and abroad are consulted.In addition，the basic composition and operation principles of a kind of electromagnetic mooring component are introduced in detail and we take the application of new electromagnetic mooring component in floating wharf for example to introduce the checking computations of mooring force.Finally，we got the conclusion that new electromagnetic mooring component，with the characteristics of simple structure，easy to manufacture and convenient operation，can improve the efficiency and the structural stress of dock port.

electromagnetic mooring component;large water-head;wharf mooring

U653.2

A

1674-0696(2011)03-0441-04

2011-03-25;

2011-03-31

重庆交通大学研究生部创新基金资助项目(2009-08)

高谭坤(1984-)，男，山东菏泽人，硕士研究生，主要从事港口、海岸及近海工程方面的研究。E-mail:gaotankun@yahoo.com.cn。