摩阻型拦船设施研究与应用

文/刘良玉 周和平 徐 铭 郭 军

水利工程上游引河设置可靠的拦船设施，是预防船舶撞击工程避免发生安全事故的有效措施。20世纪60年代，江苏部分水闸设置了直线形拦船设施，由锚墩、钢丝绳、浮桶、拖锚组成。锚墩共两个，分设于两岸，钢丝绳固定在锚墩上，河道中间设浮桶架设钢丝绳，浮桶下连拖锚（见图1），能拦截小型船舶。进入八九十年代，水上交通快速发展，船舶多，船体大，船舶撞毁拦船设施事件时有发生。针对直线形拦船设施抗撞能力不足的问题，21世纪初出现折线形拦船设施，它在水面呈“>—<”形布置（见图2），相对于直线形拦船设施，增加了两个副锚墩和两根副索，主索加长，副索将主索向上游方向牵引、固定。折线形拦船设施通过副索破断和拖锚作用消减船舶动能并克服水流力，最终主索承受冲击拦截船舶，抗撞能力较强。然而，常规折线形拦船设施在高流速河道上难以拦截大吨位船舶。拦截能力较强的均采用了液压系统，造价较高。本文介绍的摩阻型拦船设施结构简单、造价较低，能拦截千吨级船舶。

一、基本组成

摩阻型拦船设施由摩阻机、基础、钢丝绳和浮桶组成，在水面呈直线形布置（见图3）。两台摩阻机安装在两岸钢筋混凝土基础上，钢丝绳架设在浮桶上。它与折线形拦船设施的主要区别在于：无拖锚与副索，采用摩阻机产生恒定摩阻力做功消减船舶动能，抵御水流力。

摩阻机由机架、绳鼓、钢丝绳、摩阻装置、传动装置以及滑轮组等组成（见图4）。其中摩阻装置用于产生摩阻力，绳鼓用于收放钢丝绳，传动装置用于将摩阻力放大后传递给钢丝绳，滑轮组用于调整钢丝绳方向。

图1 直线形拦船设施平面布置示意图

图2 折线形拦船设施平面布置示意图

图3 摩阻型拦船设施平面布置示意图

二、动力学原理

摩阻型拦船设施的工作原理：当船舶撞击拦船设施时，钢丝绳张紧、延伸，当其内力达到设计值，摩阻机转动释放钢丝绳，同时摩阻装置产生摩阻力做功消耗船舶动能并克服水流力，船舶逐渐减速并最终停止，钢丝绳呈V形拦截船舶（见图5）。

摩阻机原理：船舶撞击拦船设施时，钢丝绳对摩阻机绳鼓切线方向产生拉力，通过齿轮组（传动装置）传动，摩阻装置的闸瓦与刹鼓间产生摩擦力。若撞击力较小，钢丝绳内力未达到设计值，那么该摩擦力为静摩擦力，起到阻止摩阻机转动的作用；若撞击力较大，钢丝绳内力达到设计值，那么，摩阻机转动，该摩擦力为滑动摩擦力，传递给钢丝绳，起到拦阻船舶作用。

摩阻机的滑动摩擦力由设计确定，通过调节弹簧压力使其达到设计值，它与钢丝绳内力呈增函数关系，由于该滑动摩擦力相对稳定，所以钢丝绳内力基本恒定。

三、摩阻机设计要点

①合理确定设计标准。综合考虑现场地形地貌、河道内船舶状况、安全要求、计划投资等情况，确定计划拦截船舶的吨位。

②适当考虑安全系数。有关国家标准、行业标准对钢丝绳安全系数要求较高，但作为拦船设施，不必考虑过高的安全系数，钢丝绳安全系数可取2.0左右。

③同时满足两个条件。一是摩阻机钢丝绳释放完毕前，摩阻力做功能够克服“船舶动能+水流力做功”；二是摩阻机钢丝绳释放完毕时，钢丝绳设计张力在逆水流向的合力不小于船舶与浮桶受到的最大水流力的和。

④谨慎确定摩擦系数。摩擦器的摩擦系数应通过实验确定，无条件实验时应取经验数据的上限，避免因摩擦系数选择偏小造成钢丝绳过载。

四、技术经济分析

摩阻型拦船设施利用摩阻机做功渐渐消耗“船舶动能+水流力做功”，最终钢丝绳在水面呈V形拦阻船舶，此工作原理成就了其强大的拦截能力。船舶撞击拦船设施后，摩阻机转动，钢丝绳受到的张力基本恒定，钢丝绳在逆水流向的合力逐渐增大，对船舶渐进加力，冲击较小，能降低沉船风险；从船舶撞击拦船设施至船舶被拦截，历时数分钟之久，有利于安全救援；解除危险后，船舶驶离，摩阻机收回钢丝绳，回到待机状态，拦船设施无损伤。该设施结构简单，钢丝绳直径较小，锚墩不大，造价较低。

图4 摩阻机构造与安装图

图5 摩阻型拦船设施呈V 形拦截船舶

摩阻型拦船设施适用于各种流速、不同宽度河道，可在高流速河道上推广应用，对维护工程与航运安全具有显著的经济效益与社会效益。