43 m内河新型高速水政执法艇设计

王世杰

(江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003)

0 引言

为有效打击水上违法犯罪活动、及时处理水上突发事件等，近年来我国执法部门越来越重视加强执法队伍建设，不断提高执法能力[1]。公务执法艇作为水上执法的重要装备，其大型化、快速化、多功能化设计研究符合我国内河公务执法艇的需求发展趋势。目前，我国水政执法艇的尺度普遍相对较小，速度相对较低，执法功能相对单一化[2-3]，其功能与管理要求不相适应，因此研发移动综合管理平台势在必行。

为满足水上执法任务的需要，通常要求公务执法艇具有较高的快速机动性，因而对内河公务执法艇的技术水平、数量、吨位都提出了更高的要求。国内使用较多的排水量型高速执法艇具有尺度大、甲板面积较大且功能舱室齐全、稳性更好、执法装备多等优点，但其设计难点是投入经费限定且需要保证实现全部功能。控制空船重量和振动噪声与经费限定是矛盾体，需要找到平衡点。为此，本文以具有多功能、一体化的综合管理移动平台——43 m内河新型高速水政执法艇为研究对象，阐述了该艇的总体设计理念和外观设计思路，详细分析了该艇的主要参数、总体布置和主要功能舱室，以及该艇的结构材料选择，研究了空船重量和振动噪声的控制措施，以确保满足各种复杂环境下禁采江砂、水上执法、水下测量等多重任务的需要。

1 设计思想

(1)充分体现“以人为本”的设计理念，船型布局合理，外形简洁大方，线型流畅美观；船舶驾驶视线良好，有利于驾驶人员在拥挤繁忙的航道上安全操作；内部舱室宽敞舒适明亮，以改善执法人员的工作环境，提高工作效率。

(2)采用双机、双桨、双舵推进方式，具备良好的操纵性能，确保船舶在弯曲、拥挤的航道中操纵灵活；灯光、声号等信号系统可靠、响亮，提高船舶在执法过程中超越和交汇避让时的安全性能。

(3)具有一定的快速性能，以利于执法过程中追越肇事船舶。这种快速性是建立在既满足行政执法的需要，又兼顾日常使用的经济性，还要考虑到减少其航行波对其他船舶航行安全的影响。

(4)主要机电设备以选择技术性能优良为前提。主辅机等核心设备选择体积小、振动噪声低的设备，以提高船舶整体技术性能和有效航行时间，延长船舶整体使用寿命，同时减少故障发生的机率。

(5)舾装设备做工精细，造型小巧而且重量轻，与船舶整体协调；门窗风雨密性好，开启顺畅，关闭严实，不会因船体振动而产生噪声。

(6)内装材料的选择：第一要防火防潮，提高其航行中的安全性和耐久性；第二是轻质，可有效地减轻空船重量；第三是隔音、保温，提高工作舱室的舒适性；第四是美观，舱室达到良好的视觉效果。

(7)配备必要的现代化办公、通讯设施及音响、影像系统，以满足电子政务信息、现场取证等工作的需要，提高工作效率。

(8)为提高船舶的技术性能，船体结构材料采用钢铝混合材料，以降低船舶本身的重心高度，减轻重量，从而节约主机功率。

2 主要参数和总体布置

2.1 主要参数

43 m内河新型高速水政执法艇尺度大、甲板面积较大且功能舱室齐全、执法装备多，空船重量较重，航速较快，属于排水量型高速执法艇，主要执行长江航道水下地形测量、水质检验、水上行政执法、防汛指挥、会务接待等任务。该船主要参数如下：

(1)最大船长43.0 m，型宽7.2 m，型深2.60 m，设计吃水1.45 m，排水量～165 t，航速≥35.0 km/h，乘员58人，航区A级。

(2)主机功率895 kW，转速1 900 r/min，2台。

2.2 主要功能舱室

主要功能舱室由底舱和主甲板以上两层半舱室组成。底舱设有船员舱。主甲板以上一层设有会议室、大厅、餐厅和配餐间；主甲板以上二层设有工作室和玄关；主甲板以上二层半设有驾驶室。

2.3 外观设计思路

43 m排水量型高速执法艇功能舱室面积相对较大，上层建筑较丰满，因而在外形设计时尽量体现船舶的速度感，将艏部舷墙与艉翼部分采用流线型线条加以连接，象征着展翅高飞的文化寓意。

上层建筑为二层半结构形式，驾驶区域采用半升高布置方式，在增加外形层次感的同时较好地改善驾驶视线，减小驾驶盲区；减小上层建筑在水线以上的高度，使得整个外形流畅、协调，利于降低上层建筑的重心高度和减小受风面积，进一步提高船舶安全性能。

在不增加现有船宽和上层建筑总高的前提下，尽可能地有效增加主要功能舱室的层高和宽度，满足执法功能和会务接待需求的同时改善内部使用空间的舒适性，充分体现“以人为本”的设计理念。

3 结构材料的选择

3.1 结构材料的选择

大型、中低速的船舶结构材料一般采用钢材，包括船舶主体和上层建筑。中、小型高速船艇的结构用材主要有钢材、铝合金、玻璃钢、钛合金和碳纤维[4]等材料，其属性及价格对比见表1。玻璃钢由于易老化且属于不可回收再利用的非环保型材料，近年来逐步被淘汰，新造小型高速艇基本上会采用全铝合金结构。碳纤维强度好、重量轻，但价格成本较高[5-6]。各种材料的综合性能比较排序见表2。

表2 各种材料综合性能比较

综上分析，本艇采用钢铝混合的结构型式：主艇体结构采用CCSB船用钢材；上层建筑采用铝合金带筋板结构；钢质主船体与铝质上层建筑的连接采用过渡材料形成钢-钛-铝的过渡焊接接头。该混合结构具有以下优点：

(1)可以保证整船具有足够的强度、刚度和结构稳定性。

(2)能降低重心高度,改善船舶的稳性，而且在相同的主机功率时有利于提高航行速度。

(3)具有较好的耐腐蚀性，在使用过程中可以减少保养费用。

(4)造价适中，是目前公务艇的理想结构材料组合。

3.2 铝合金带筋板材料特点

(1)采用的铝合金带筋板是用挤压工艺制成的含有型材的铝合金板。本艇选用的铝合金材料牌号为6082-T6，屈服强度为240 MPa，其强度可以与船用普通钢材等同。

(2)上层建筑采用铝合金带筋板大大减少了扶强材与板材之间的焊接量，且外形更加美观平整。

(3)带筋板之间的拼接焊采用搅拌摩擦焊，可避免过烧和焊接变形的问题。

(4)近年来，铝合金带筋板的制造工艺发展纯熟，制造成本减少，市场保有量增多，价格几乎接近船用铝合金平板的价格。这样使得原本造价预算并不充裕的船艇也可以选择使用铝合金带筋板[6]。

4 空船重量控制措施

由于功能舱室面积较大，因而船舶主尺度相对较大，空船重量较大，所以在合理功率范围内要达到设计航速指标，控制空船重量显得尤为重要[7]。在船舶造价预算允许前提下，从以下几方面优化设计：

4.1 选用轻型船体结构材料

铝合金密度为2.68 g/cm3，船用钢材密度为7.86 g/cm3。上层建筑采用铝合金带筋板结构，比使用钢材可以减轻约64%的重量。

4.2 控制装修重量

装修材料从骨架、辅材、面材在满足防火、保温、防潮、环保的基础上，尽量选用轻型材料。具体要求如下：

(1)内部装修骨架选用铝合金龙骨，配餐间、卫生间均采用轻型甲板敷料。

(2)防火分隔绝缘材料选用摩根防火棉。

(3)机舱地板选用花纹铝板，底舱的船员舱地板采用铝合金板上铺橡胶地板。

(4)除窗框和门框采用必要的实木之外，大部分围壁和天花板面材均选用10 mm厚铝蜂窝板，采用干挂安装，重量轻、使用寿命长且环保。

4.3 机电设备和甲板机械及舾装件选型

(1)主机、发电机组、齿轮箱选用寿命长、维修率低且体积小、重量轻的品牌。

(2)驾控台采用铝合金结构材料，和上层建筑一体制作，再进行外部装修。

5 振动噪声控制措施

本艇在舱室的隔音、隔热及减振降噪方面，采取主动隔振和被动隔振相结合的措施[8]。

5.1 主动隔振措施

主动隔振是从源头控制振动并降低噪声。船舶推进系统包含2个主要振源：主机和螺旋桨。

常规艇动力系统的布置形式是主机与齿轮箱独立安装，发动机与齿轮箱之间的联轴器采用位移补偿能力大的高弹联轴器。主机用隔震垫支撑，齿轮箱刚性安装。这种传统的隔振方式实践证明：对于超过1 500 r/min的高速柴油机效果不明显，还会带来主机怠速时摇晃厉害的问题。

本艇主机与齿轮箱罩壳连接，主机组整体由4个高弹隔振垫弹性固定在机座上，通过推力轴承+补偿联轴器与艉轴相连。这种推力轴承+补偿联轴器+隔振器的轴系柔性传动设计，可有效地解决常规高弹联轴器无法承受推力、普通隔振器不能承受较大的轴向力的缺陷，从源头降低了振动噪声。

5.2 被动隔振措施

(1)在布置方面：空间分隔合理，将重要的功能舱室尽量远离机舱，做到物理隔断噪声源。

(2)在装修方面：内部功能舱室及机舱四周内衬辅材及面材均选用可隔音材料。

(3)在结构方面：机舱结构、艉尖舱螺旋桨上方结构尺寸在满足强度计算要求基础上适当加强，使振动源附近的结构具有足够的刚度，利于振动衰减。

(4)在门窗选型方面：外围壁均采用玻璃幕墙，与围壁结构采用胶黏安装；外围壁门均选用铝合金风雨密空腹门，隔音又美观。

(5)振源附近敷设阻尼涂料，使振动衰减加快，达到减振、降噪效果。

(6)采用适当的桨叶叶梢安装间隙及艉部流线形状，以减少螺旋桨处水流在艉部引起的振动。

6 结论

(1)43 m排水量型高速执法艇船型布局合理，外形简洁大方，线型流畅美观，且配备必要的现代化办公、通讯设施及音响、影像系统，以满足执行时电子政务信息、现场取证等工作的需要，提高执法人员工作效率。

(2)实船试航结果表明：该艇操纵性能优良，具备一定的快速性能，满足了行政执法的需要。会议室、工作室、驾驶室实测噪声指标均小于55 dB，实测航速达到并略超过设计航速指标。