内河航道船舶标准化系列化研究

张 云，邹学义，汪 涛，张 丽

(江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003)

0 引言

由于我国内陆水系众多，内河航运是现代交通运输体系的重要组成部分。随着国家对发展水运经济带的重视，航道建设与管理正朝着标准化、现代化、数字化的方向发展[1]。

江西省内河航道发展条件优越，全航道通航里程达5 716 km(含长江江西省段)，位居全国第八位。赣江、信江已列入国家水运主通道，计896 km，建设畅通、高效、平安、绿色的江西内河现代化水运体系势在必行。为策应《关于加快水运改革发展的实施意见》关于“启动编制全省航道工作船艇、航标等装备计划和建设标准指南，统筹推进工作船艇、航标等装备标准化、现代化”部署，江西省船型研究工作依托信江高等级航道整治工程项目建设，进行《航道工作用艇船型标准化系列化研究》课题研究，为航道工作船艇建设标准指南提供技术支持。江西省内河船型标准化工作需要根据现有航道通航能力、本地港口、航道对船舶的限制(主要是桥梁通航净空等)， 结合江西省内河航道建设标准，从江西省航道日常维护管理角度和现有船型出发，分别对航道巡查艇、航标工作船、航道测量船、航道工作趸船和船闸工作船等5种主要船型的总体配备、主尺度、结构设计及优化、新材料的应用、设备配备及智能化5个方面进行标准化、系列化研究，并提出切实可行、满足需求的标准化、系列化船型。

1 航道工作用艇项目前期研究

目前，江西省内河航道养护和管理的薄弱环节之一就是大部分航道管理养护工作船艇配备由所在单位或部门根据自身具体情况并结合所在地的经济发展水平进行设计和建造，从而造成船型类型杂乱情况。主要存在的问题如下：

(1)船舶类型偏多，同类型的船舶型宽、型深等也变化不一。

(2)同类型船舶的设计性能存在较大差异，如稳性、航速、续航力等有很大不同。

(3)所在地的船舶建造能力、主要机电设备配备及性能也存在较大的差异，严重制约了航道船舶日常维护工作的顺利开展。

借鉴近年来兄弟省份航道、港航及海事部门研发的工作用艇标准化、系列化研究成果和内河养护、管理船艇积累的丰富经验，结合江西省内河航道建设标准，本文从航道日常维护管理角度和现有船型出发，对航道工作用艇主要船型开展江西航道工作用艇标准化系列化技术研究。

2 航道工作用艇总体配备

2.1 船舶着色

(1)水线以上的主船体、上层建筑、桅杆、旗杆、通风筒等颜色为白色。

(2)主甲板以上(包括主甲板)的室外甲板颜色为墨绿色。

(3)护舷材、锚机、带缆桩、锚穴、锚和烟囱颜色均为黑色，起重设备颜色为桔黄色(特种设备和特殊金属材料除外)。

2.2 船舶的命名

(1)船舶的命名规则

航道工作用艇船舶类型主要分为：航道巡查艇、航标工作船、航道测量船、航道工作趸船、船闸工作船等。根据不同的船舶类型，船名分别命名为：赣航巡×××、赣航标×××、赣航测×××、赣航趸×××、赣船闸×××。

船名由3个汉字加3个阿拉伯数字编号组成。编号首位数字分别为：0省级中心、1赣中航道中心、2赣东航道中心、3赣南航道中心、4赣西航道中心、5赣北航道中心、6赣江船闸中心、7信江船闸中心、8航道工程局、9水上救助服务中心。后两位数字为各单位同类船舶流水编号。

(2)船首两舷标明的船名具体尺寸和位置视船舶的大小、协调为宜。中文字体为楷体加粗，数字字体为Times New Roman，颜色为黑色。

2.3 船型分类及用途

(1)航道巡查艇主要用于航道发生拥堵、妨碍船舶航行时的应急抢通，其功能舱室齐全、技术性能优良。

(2)航标工作船主要执行航标设置、巡检、起吊、拖带、维修保养任务。航标工作船设有1台伸缩回转起重机，用于起吊航标及其他设施；艏部设有宽阔的甲板，用来储放大型浮标，满足航标巡查、维护功能。航标工作船应操作灵活、稳性好，并有足够的操作空间，便于航标起吊及维护。

(3)航道测量船搭载专用测量、监视设备，担负航道巡视、监控，水下地形及障碍物探测等任务。航道测量船配有多波束测量设备、侧扫设备、无人测量艇等测量设备。无人测量艇携带单频测深仪可对河道边坡进行测量，与其他测量设备数据进行整合，可对整个航道进行全覆盖测量。

(4)航道工作趸船是航道日常管理的工作、休息场所，用于船舶停靠，是维护设备、设施上下的接驳平台。

(5)船闸工作船应具有较大的顶推和拖带能力、良好的操纵性，以提高船闸通过能力和船闸排档能力，同时兼作船闸通航日常管理的新型排档船。

2.4 江西航道船型配置

根据江西省航道工作用艇的配置需求，针对5种航道工作用艇设计一系列规格的工作用艇。5种船型对应的设计参数(船长)见表1。

表1 5种航道工作用艇参数(船长) 单位：m

江西省省级航道事务中心、片区航道事务中心和航道所船型配置具体如下：

(1)省级航道事务中心配备44.0 m航道巡查艇、27.0 m航道测量船、60.0 m航道工作趸船。

(2)片区航道事务中心配备34.0 m航道巡查艇、无人测量船、40.0 m航道工作趸船。

(3)航道所配备13.8 m航道巡查艇、27.0 m航标工作船(350 kW)、27.0 m航标工作船(220 kW)或22.0 m航标工作船(180 kW)(根据需要选配)、40.0 m航道工作趸船或30.0 m航道工作趸船(根据需要选配)。

船闸工作船主要用于船闸通航中心，22.0 m航标工作船(180 kW)主要用于赣江上游或其他支流水域。

3 船舶主尺度与力学性能及结构优化分析

3.1 船舶主尺度

根据江西的通航环境和船舶交通流的分布情况，以及航道船舶的现状及船型的发展趋势，利用三维建模软件搭建船舶数字模型，并进行数值计算，得出特定航道所需的标准化主尺度。然后通过航道条件分析结果，以航道现状及航行船舶特点为基础，确定适合不同航道的船舶主尺度标准。

本项目利用MAXSURF软件进行三维船体建模,快速精确地设计并优化出符合江西省航道要求的各种主船体、上层建筑和附体型线。通过控制船舶的船体形状，船体外形能够更加平整、优化，符合现实需求。

3.2 船体结构设计

船舶的重量控制对船体的性能、载重量、航速均有至关重要的作用，为此在船舶设计中应尽量减轻船体重量以获得较大载货量和理想航速。在船舶的实际建造过程中也可以通过采用重量偏轻的新型材料来替代传统钢材。在进行船体结构设计的过程中，一方面需要应用先进的数字模型及力学分析软件满足船体结构强度要求，另一方面应该设计合理的典型结构型式，从而实现经济效益最大化。

3.3 船体力学性能分析

目前，有限元建模分析软件可对船体结构受力进行系统分析[2]。船舶的受力情况通过模型分析具有最直观的判断，对船体结构优化并实现船体轻量化，达到节省造船材料、降低造船成本的目标具有深远影响。有限元软件对弦外水条件、船体的顶推状态等进行分析并计算船体的各种工况，最后对各种工况下的船体结构进行受力分析，从而得出符合江西省航道具体要求和不同用途船舶的整体结构。

4 新型材料应用研究

4.1 铝合金带筋板

船用铝合金是目前高速船常用的材料[3]，其优点如下：

(1)重量轻。与普通钢板相比，能有效降低重心高度。主机功率相同时速度更快。

(2)具有较好的耐腐蚀性。在使用过程中可以减少保养费用。

(3)加工成形性能好，易于进行切割、冲压、成形等各种形式的加工。

(4)焊接性能好。铝合金带筋板是采用挤压工艺制成的含有型材的板，焊接量少，变形小。

4.2 阻尼涂料

阻尼涂料结构包括阻尼层和约束层：阻尼层由聚氨酯、阻尼填料和助剂等组成；约束层由改性环氧树脂、填料和助剂等组成[4]。涂层厚度为基材厚度的1.5～2.0倍(具体按设计要求而定)，其中阻尼层为1～2 mm。其特性如下：

(1)复合损耗因数高，减振降噪效果好。具体指标为：平均减振效率达49.2%，最大减振效率达94.9%，降噪可达8～20 dB。

(2)阻尼温域宽，可在-40～160 ℃内使用。

(3)阻燃性好，氧指数达32。

(4)常温反应固化，固化时间短。

(5)附着力强，按划格法检测达到最高级别0级标准，不龟裂、不脱落。

(6)无毒，可在水面舰艇舱室内使用。

(7)施工方便，适合于基材厚度大于5 mm的平面或复杂曲面部位，一次性施工厚度立面可达5～10 mm，地面可达10～20 mm。本品可以在清洁基材或各种底层涂料上涂装。

(8)固化后不易老化，使用寿命大于20 a。

4.3 装修材料

墙面及天花采用白色环保型船用复合岩棉板、铝扣板进行装修，装修格调明亮、大方。室内地面采用深兰色PVC卷材地板及防滑瓷砖，家具及办公用品采用深色调。

4.4 护舷材料

护舷是码头或船舶边缘使用的一种弹性缓冲装置，主要功能是减缓或减轻船舶与码头或船舶之间在靠岸或系泊过程中的冲击力，减小或消除对船舶、码头的损坏，对船舶、码头起到保护作用。

橡胶护舷根据结构分为2大类：实心橡胶护舷(非漂浮型)和漂浮型橡胶护舷。实心橡胶护舷(非漂浮型)是应用历史较早、范围广的码头船舶防冲撞设备。标准化船型15 m船闸工作船护舷采用W型实心橡胶护舷。W型橡胶护舷吸收能量高，反力低，安装维修方便，是船闸排档理想的护舷品种。

5 船舶机电设备比选及智能化研究

5.1 船用主机选型

在整个船舶设计过程中，主机的选型尤为重要，关系到船舶的性能、性价比等[5]。主机选型需要考虑的因素众多，如：额定功率、额定转数、油耗、购买价格、重量与尺寸、寿命与维修成本等。此外，还需跟船型的匹配做得最佳。设计初期，面对众多的机型，可以将购买价格(即初投资)、燃油消耗费用、后期维修费用等综合起来进行经济性分析，然后选择出性价比好的主机。

船用发动机的性能很大程度上取决于推进器与发动机提供的功率之间的匹配程度。推进器的负载大小如能利于实现发动机的额定功率，将使发动机以其额定速度运行。如果推进器负载小于发动机的额定功率，发动机将超出上述工作范围。若推进器负载大于发动机额定功率，不仅将导致发动机无法达到额定转速，而且会导致发动机过载。

此外，主机生产公差对于主机性能的影响也不可忽视。正确的推进器尺寸能够确保最佳船舶性能和最长寿命。选择正确的推进器将有助于发动机实现全功率运行并提供预期的性能。

5.2 船用齿轮箱选型

船用齿轮箱是船舶动力与推进器之间的桥梁，其布置位置在船舶的原动机和螺旋桨之间。船用齿轮箱既要受到船舶的摇摆状态影响，又要不断受到海浪通过螺旋桨传递的不规则冲击，所以其受力情况更加复杂。

(1)选型前提

在进行船用齿轮箱选型前，需确定与之匹配使用的柴油主机的型号和所设计的齿轮箱速比。

(2)选型步骤

①确定齿轮箱厂家

根据以往的齿轮箱使用经验，选择齿轮箱厂家。

②确定齿轮箱类型

首先根据柴油主机的额定功率和额定转速计算其所需的额定传递扭矩力；然后根据计算的传递扭矩力和已知的减速比，查阅相关齿轮箱选型手册。

③核算齿轮箱的输入转速、可承受推力

本步骤为校核检验，防止所选齿轮箱与柴油主机转速不匹配或推力不足。

④确定齿轮箱的连接尺寸、安装尺寸

根据柴油主机的飞轮、飞轮壳的连接尺寸确定齿轮箱的飞轮和罩壳型式。

⑤考虑船用齿轮箱的配置、旋向、外形等

对船用齿轮箱的配置情况进行分析，并考虑其旋向外形等因素。

5.3 船舶智能监管系统研发

船舶事业应与现代接轨，运用现有的计算机技术、网络技术、通信技术，构筑信息智能平台，实现船舶安全控制，提升船舶管理水平，在监控技术和监管方式上不断加强对船舶的管理，提高船舶设备的完好率与船舶安全控制力度，实现船舶成本控制与优化运作[6]。为此，基于船岸一体化的船舶智能监管系统的建设必将成为船舶管理的发展趋势。

船舶智能监管系统包含以下功能：

(1)实时查询航道工作船基本信息、航行情况、停泊位置及航行轨迹。

(2)通过各类传感器实时监测船舶机舱设备运行状况和参数。

(3)通过监视、探测设备实时获取航道工作船周边环境情况，如航道水深等。

航道船舶智能监管系统由软件系统和硬件设备组成，共分为3部分：船端系统、船岸通信系统、岸端系统。该系统主要通过数据库技术、数据采集与传输技术、系统集成等多种手段，实现船岸之间信息互动传递。系统获取的信息保存在本地或者通过船岸通信系统发送到岸端，本地或岸端基于采集的数据进行分析，将分析结果应用到船舶航行控制、远程监控、避碰预警等方面。

6 结论

(1)通过对江西航道工作用艇标准化研究，提出航道巡查艇、航标工作船、航道测量船、航道工作趸船和船闸工作船等船型的总体配置，并进行船体结构优化设计与分析。

(2)通过对船舶机电设备优化与集成设计，对主流机电设备的性能和适用性进行对比分析，优选出对本系列标准化船型在使用性能、环保性和维护保养等方面综合性能优良的机电设备配套方案。

(3)通过研发船舶智能监管系统，运用计算机技术、网络技术、通信技术(4G/5G等)，构筑信息智能平台，加强信息技术在船舶管理中的应用，有效实现船舶安全控制、提升船舶管理水平，实现船舶成本控制与优化运作。