滚装船装运特大型重装备捆绑加固研究

刘宝新， 董 楠

(1.陆军军事交通学院联合投送系，天津 300161；2.陆军军事交通学院五大队研究生队，天津 300161)

目前滚装船是装运重装备实施海上运输的首选船型。船舶在海上航行过程中，会受到风力、海浪冲击力以及惯性力等各种不同方向力的综合作用，船舶在发生不规律的颠簸和摇摆的同时，船上装载的装备也会随之运动，产生一定的空间位移趋势。如果没有外力对装备进行强力的约束，就很有可能会产生较大的加速度，并进而发生明显的位移，导致装备与船舱发生碰撞或者相互撞击，对船体和装备本身造成不可估量的损害，严重危及航行安全。特大型重装备为满足海上运输要求，必须进行可靠的系固。

1 装备捆绑加固方案设计

1.1 捆绑加固器材类型及性能

当前，海上运输常用的捆绑加固器材主要有非制式捆绑加固器材和制式捆绑加固器材。非制式捆绑加固器材主要有三角木、方木、铁丝、钢丝绳、绳索、绞棍等，主要应用于紧急情况下或制式器材不足时[1]。利用非制式器材进行捆绑加固时，先将三角木、方木置于车轮前后，将钢丝绳一端与牵引钩连接，另一端与船体连接，钢丝绳中间使用绞棍收紧。

制式捆绑加固器材主要包括海船装运重装备捆扎设备、加固带等。海船装运重装备捆扎设备(如图1(a)所示)由球头钩、挂钩、卸扣、绑扎链、收紧器等组成，其破断力可分为5、7.5、10和16 t共四个等级，用于绑扎50 t以下的重型装备。加固带(如图1(b)所示)是由尼龙、锦纶等纤维织物编制而成的，便于储运和操纵，是绑扎车辆的常用器材，其破断力分为2、3、5和8 t共四个级别。

图1 常用制式捆绑加固器材

1.2 捆绑加固基本要求

重装备在进行捆绑加固时，在遵循轮式车辆基本加固要求的基础上，还应该根据装备特点采取适当措施以确保对装备进行有效约束。一是合理选择系固点位置。为保证系固稳定，重型轮式车辆应在装备上选取最强位置系固。不同于一般的民用轮式车辆可以选择车辆轮毂作为系固点，超重装备系固点不能选在车轮、挡板、保险杠等易活动位置，一般选在车架的左右两侧，以及前后拉车钩上，尽量使系固力作用于底盘上。二是选择合适的系固器材。要根据装备的重量、风浪的等级等因素，选择数量合适的系索，保证系索的破断强度满足系固需要。三是系固角度要合适。民用轮式车辆因为其重心较低，质量较小，在系固器材数量和强度都合适的情况下可根据情况选择适当的系固角，不对系固角度进行硬性要求。超长超宽超重超高装备在运输过程中因为船舶摇晃产生的惯性力较大，系固角过小不利于防止装备倾倒，系固角过大则不利于防止装备水平移动。因此，为避免装备在运输过程中发生位移，在捆绑加固时应采取合适的系固角，一般要求垂直系固角不超过60°，水平系固角不超过40°。四是系索尽量横向和纵向对称分布。系索对称布置，可使装备左右及前后受力均衡，不会形成一侧受力过大而失效的不利情况[2]。一般在装备前后采用“正八字”形式交叉系固，在装备两侧采用“正八字”或“倒八字”的形式对称系固，还应注意的是在对重大装备进行系固时，系固在同一个地铃或底座上的系索，不能超过3根，且受力方向不能相同。同时，因为车辆在船上装载时纵向积载比横向积载需要的系固器材更少[3]，所以重装备装载时尽量要选择纵向积载，这样超长装备在进行装卸时也能尽量沿直线行驶，减少装备上下船所耗费的时间。

1.3 捆绑加固方案制订

特大型的轮式装备本身惯性大、摩擦力小，容易产生移动，是捆绑加固的难点。导弹部队要结合实际海况条件，研究制定合理的捆绑加固方案。在此选取了某型号重装备作为研究对象设计出一种较为合理的捆绑加固方案，并进行校核计算，验证其可靠性。参数为：外形尺寸16 460 mm×3 050 mm×3 560 mm(长×宽×高)，质量50.5 t，轴距11 200 mm，重心高度1 780 mm。

需要利用的捆绑加固器材有：三角木20块，最大系固负荷MSL为10 t(约100 kN)的绑扎链(或加固带)12根。当车辆上船定位熄火后，拉上手刹并自锁，在其车轮前后用三角木掩紧。随后用绑扎链进行系固，分别在装备第2轴前后、第1轴前和第5轴后、第3轴前和第4轴后拉成八字形，借助挂钩钩于地铃上，用螺旋式张紧器锁紧。具体的捆绑加固样式如图2所示。

图2 某型号导弹运输车捆绑加固示意图

2 捆绑加固方案校核

目前，军用装备海上捆绑加固技术标准还不健全，加固方案的设计还在不断尝试和摸索阶段。因此，针对本文提出的捆绑加固方案，必须进行科学的系固强度校核，来进一步验证加固方案的可靠性。根据国际海事组织(IMO)对于系固校核的相关规定CSS (Safe Practice for Cargo Stowage and Securing)，本文主要通过精算法对上述系固方案进行强度校核。

2.1 确定校核评判标准

装备在综合外力下的平衡条件是：Fhoy≤[Fy]时，装备不会发生横向移动；Fhox≤[Fx]时，装备不会发生纵向移动；Mx≤[Mx]时，装备不会发生横向倾覆。式中：Fhoy为装备在横向的水平移动力；[Fy]为装备货件移动的横向约束力；Fhox为装备在纵向的水平移动力；[Fx]为阻止装备移动的纵向约束力；Mx为装备横向倾覆力矩；[Mx]为阻止装备横向倾覆的约束力矩。

若同时满足以上要求，则表明捆绑加固方案合格。

2.2 装备受力情况分析

本文研究的条件主要是借助滚装船来实施跨海输送，重装备配载于滚装船船舱内甲板，暂不用考虑海风的风压力和海浪带来的波溅力影响。另外，系固前会在轮胎前后铺设三角木以制动装备，但是系索的约束力必须保证装备在任何情况下的稳定，包括三角木等制动器材的失效。因此，本文中的系固校核计算中暂不考虑三角木对装备受力的影响，被系固的装备主要受到惯性力、系固力和摩擦力的综合作用。

2.3 各种力的计算[4]

2.3.1 惯性力

装备在惯性力的影响下，会产生惯性加速度。因此，惯性力在各个方向上的分量可表示为：

Finx=max

(1)

Finy=may

(2)

Finz=maz

(3)

式中：ax为纵向加速度；ay为横向加速度；az为垂向加速度。

在标准情况下，基本加速度取值参考图3所示。

注：该表所给出的基本加速度值的条件为无限航区，全年航行，航次时间为25 d，船舶长度为100 m，服务航速为15 kn(1 kn=0.514 m/s)，B/GM≥13(B为船宽，GM为稳性)。若船舶航行于遮蔽水域中，则应根据季节和航行时间适当降低所列加速度值。图3 标准船长、航速下的基本加速度

若船舶长度不等于100 m，航速不等于15 kn时，加速度值要做出一定修正，具体参数如表1所示。

表1 船长和航速修正系数

当船长L及航速V在表1中仍没有对应数据时，可以根据式(4)计算出具体的修正系数k1：

(4)

当B/GM<13时，横向加速度还要进行再修正，具体系数值k2按表2进行确定。

表2 船舶稳性修正系数

当k2值无法从表格中直接确定时，可以通过求解线性方程的方法来进一步求取。

2.3.2 系固力

一般对于断裂强度为BS的系索，其拥有的最大系固负荷MSL=BS×δ，其中δ为破断系数，根据使用次数的不同，取值一般在0.8～0.3之间。在工作实际中，为保证系固工况正常，还应为系索赋予一定的安全系数，取值一般为1.35。

因此，系索的计算拉力值为：

(5)

若同时考虑垂直系固角α和水平系固角β，则一根系索作用于装备的系固力F可以分解为垂直于甲板的力Fz和平行于甲板的力Fxy，Fxy又可以分解为纵向的分力Fx和横向的分力Fy(如图4所示)。

图4 系索拉力值的分解

系索各方向的拉力为：

Fz=Fsinα

(6)

Fxy=Fcosα

(7)

Fx=Fxysinβ=Fcosαsinβ

(8)

Fy=Fxycosβ=Fcosαcosβ

(9)

2.3.3 摩擦力

由于系固力产生垂直于甲板面向下的分力，因此摩擦力会相应增大,设摩擦系数为μ，其取值一般为0.3。

2.4 校核条件分析

2.4.1 横向受力

由于系索拉力在Z轴方向上有一个向下的分力，从而会增加装备与甲板间的摩擦力。因此，综合所有系索产生的横向拉力和摩擦力，装备受到横向约束力

(10)

因为惯性力作用，装备受到的横向移动力为：

Fhoy=Finy=mαy

(11)

若Fhoy≤[Fy],说明横向系固合格。

2.4.2 纵向受力

由于装备的惯性加速度在Z轴方向上产生一个向上的分力，会减小装备与甲板的摩擦力。因此，装备受到纵向约束力：

(12)

装备受到的纵向移动力为：

Fhox=Finx=mαx

(13)

若Fhox≤[Fx],说明装备纵向系固合格。

2.4.3 横向倾覆

系索拉力的纵向分力对装备倾覆没有约束作用，因此只考虑横向分力、垂向分力以及装备自重对倾覆轴产生的约束力矩即可。重装备种类繁多，重心高度各不相同，但是基本位于装备中心位置，因此，本文将重心高度统一按照0.5h计算。装备倾覆力矩示意图如图5所示。

图5 横向倾覆力矩

则横向约束力矩为：

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

(14)

式中：li为系固点到横倾轴o的垂向高度；0.9为安全系数；b为装备宽度；b1为轮胎宽度。

设系索产生的力矩为：

(15)

横向移动力产生的倾覆力矩为：

Mx=0.5hmαy

(16)

若Mx≤[Mx]，说明装备防倾覆系固合格。

2.5 校核计算

设定系固方案基础信息：承运船舶长127 m，船宽B为20.5 m，航速12.5 kn，初稳性高度GM为1.7，B/GM为12。装备指标如前所示，车辆轮胎宽度350 mm。拟装载在船舶二层车辆甲板，装载位置距离船尾0.8倍船长。系固采用对称系固方式，每侧6根系索，从车头至车尾系索垂直系固角和水平系固角分别为(35°，30°)、(30°，40°)、(30°，25°)、(30°，25°)、(30°，40°)、(35°，30°)，系固点高度均为2 m，系索最大系固负荷MSL为100 kN。

2.5.1 计算加速度

因为B/GM为12<13，可查阅表2，得k2=1.03。进而可以求得修正加速度值为：αx=1.560 m/s2,αy=4.740 m/s2,αz=5.928 m/s2。

2.5.2 横向受力校核

由于装备是对称捆绑加固，横向移动和倾覆校核只需要选择一侧进行校核即可。

横向约束力[Fy]=471.086 kN,横向移动力[Fhoy]=may=239.37 kN,Fhoy≤[Fy]，装备不会发生横向移动。

2.5.3 纵向受力校核

因为装备一侧的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对应，所以装备的纵向移动校核只需要选择方向相同的3根系索进行校核。

纵向约束力[Fx]=160.406 kN, 纵向移动力[Fhox]=max=78.78 kN,Fhox≤[Fx]，装备不会发生纵向移动。

2.5.4 横向倾覆校核

横倾约束力矩[Mx]=1 178.599 kN·m，横倾力矩Mx=426.079 kN·m，Mx≤[Mx]，装备不会发生横向倾覆。特别需要说明的是仅计算装备自身重力所产生的横倾约束力矩[Mx]=0.5mg(b-b1)=681.75 kN·m，也能满足Mx≤[Mx]，表明装备即使不加固捆绑也不会发生横向倾覆。

2.6 结果分析

综合以上校核计算结果可以看出，此加固方案是合理可行的。但是当船舶高速顶浪航行、随浪或随尾斜浪航行和发生严重横摇共振等情况时，加速度值可能超过图1中的数值，因此船舶在航行过程中应避免出现这种情况[4]。为了确保航行安全，重装备在跨海输送途中要注意加强检查，及时掌握装备捆绑加固状况，发现问题及时纠正。

3 结束语

目前，特大型重装备海上运输捆绑加固技术标准还不完善，专用捆绑加固器材还没有列装使用。本文提出的捆绑加固方案及校核方法，适用于大多数重大型装备，且方便操作，易于掌握，具有很好的实用性和参考价值。