李 強(qiáng)，曹湘?zhèn)?/p>

(江蘇新時(shí)代造船有限公司，江蘇 靖江 214500)

0 引言

雷達(dá)桅是各類海上航行船舶必備的舾裝件之一。雷達(dá)桅上安裝的雷達(dá)、天線、失控?zé)舻雀黝愋盘枱?，以及風(fēng)速風(fēng)向儀、汽笛等設(shè)備，起到海船正常航行和應(yīng)急避碰的輔助作用。一般情況下，雷達(dá)桅設(shè)計(jì)是在船舶初步設(shè)計(jì)過程中依據(jù)船舶的主尺度以及航行路線的條件進(jìn)行的，并在詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中具體細(xì)化并送審認(rèn)可。隨著船運(yùn)市場的變化，船東可能會(huì)調(diào)整和變更船舶的運(yùn)營航線，使得船舶的空高限制性發(fā)生變化。這種變更要求一旦出現(xiàn)在船舶建造后期，特別是在上層建筑已經(jīng)完工的情況下，相關(guān)的修改設(shè)計(jì)會(huì)因?yàn)槭艿礁鞣N條件限制而非常困難。本文以111 000 t成品油船的后期空高變更為例，研究通過修改雷達(dá)桅來實(shí)現(xiàn)空高限制調(diào)整的方法和設(shè)計(jì)過程。

1 船舶變更空高的設(shè)計(jì)條件

111 000 t成品油船入級美國船級社(ABS)，船長251.84 m，船寬44 m，原設(shè)計(jì)空高限制距基線57 m。上層建筑位于船艉區(qū)域，羅經(jīng)甲板距基線41.3 m，雷達(dá)桅含天線高度為15.3 m，艉部機(jī)艙棚煙囪高度距基線46.8 m。該船海試完成后，由于市場原因，船東需要變更該船運(yùn)營航線，改道密西西比河航線。該航線吃水限制為41.46 m，經(jīng)計(jì)算吃水后，船舶空高需要限制到距基線49.78 m。

2 船舶變更空高的初步設(shè)計(jì)

2.1 變更空高修改的限制條件

如果空高變更幅度接近或超出了雷達(dá)桅高度，就需要對整個(gè)上層建筑高度進(jìn)行修改，這種修改應(yīng)當(dāng)是船舶初步設(shè)計(jì)的范圍，在船舶建造后期修改很難實(shí)現(xiàn)并且工期長、成本高，不屬于本文討論對象。依據(jù)上述船舶變更空高的設(shè)計(jì)條件，本船整個(gè)空高只需要降低7.22 m，在上層建筑及其內(nèi)裝已經(jīng)完工的情況下，所有的修改可以考慮在雷達(dá)桅上進(jìn)行。

如果雷達(dá)桅還保留原有形式，則雷達(dá)桅總高需要從15.30 m降低到8.48 m，凈降低6.82 m。另外,羅經(jīng)甲板和雷達(dá)桅的設(shè)備比較多，因此修改時(shí)還要綜合考慮磁羅經(jīng)的4 m安全距離要求、信號燈360°環(huán)照范圍、信號燈間距離、信號燈盲區(qū)、雷達(dá)盲區(qū)等因素。

2.2 雷達(dá)桅初步選型過程

原有雷達(dá)桅見圖1。雷達(dá)桅主桅體呈錐形，雷達(dá)平臺高度位于距羅經(jīng)甲板8.3 m處。如果不改變雷達(dá)平臺上燈桅的高度，則該平臺需要下降的幅度為6.82 m，平臺高度將位于距羅經(jīng)甲板1.5 m處。如直接將雷達(dá)桅主桅體截?cái)嗟?.82 m，會(huì)出現(xiàn)3個(gè)問題：一是主桅體上布置了6組12只蘇伊士運(yùn)河信號燈，平臺下降后將與信號燈位置重疊，信號燈需要移出；二是雷達(dá)平臺將與磁羅經(jīng)的安全距離范圍重疊；三是雷達(dá)桅總體重心雖然降低，但主桅體變細(xì)，雷達(dá)平臺及燈桅振動(dòng)可能變大。因此，設(shè)計(jì)時(shí)選擇放棄基于原雷達(dá)桅進(jìn)行簡單修改的思路，準(zhǔn)備重新設(shè)計(jì)雷達(dá)桅。

圖1 原有雷達(dá)桅簡圖(單位：m)

方案1：設(shè)計(jì)的首選方案是考慮雷達(dá)桅上的所有設(shè)備都限制在空高內(nèi)，即雷達(dá)和燈桅頂部的衛(wèi)通C站天線、莫氏燈最高點(diǎn)都設(shè)在49.78 m的位置。依據(jù)IMO SN.1/Circ.271的規(guī)定，雷達(dá)的后135°區(qū)域內(nèi)總扇形盲區(qū)大小不得大于20°，并且雷達(dá)S/X波束照射的垂直方向25°的范圍內(nèi)不得安裝舾裝件，以避免造成假回波。雷達(dá)艉部盲區(qū)示意總圖見圖2。從圖2看出，在49.78 m位置處，由于機(jī)艙棚的存在，單個(gè)雷達(dá)的盲區(qū)已經(jīng)超過了26°，如果按這個(gè)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，則需要減少機(jī)艙棚對雷達(dá)盲區(qū)的影響。在雷達(dá)桅受到磁羅經(jīng)的安全距離的限制無法前移的情況下，只能修改機(jī)艙棚寬度以避開雷達(dá)照射，或者降低機(jī)艙棚高度，避開S波段雷達(dá)垂直方向25°和X波段雷達(dá)垂直方向20°的波束照射角度。修改內(nèi)容包括機(jī)艙棚結(jié)構(gòu)和內(nèi)部布置，成本高昂，所以這樣的設(shè)計(jì)是不經(jīng)濟(jì)、不合理的。

方案2：采用逆向思維倒推設(shè)計(jì)條件，即從機(jī)艙棚的頂點(diǎn)開始，以滿足雷達(dá)照射角度的要求為條件，反向推斷雷達(dá)所在位置和高度。經(jīng)計(jì)算，雷達(dá)位于51.17 m處，即距羅經(jīng)甲板9.87 m的高度，并往艉部方向平移1個(gè)肋位時(shí)，其照射范圍高于煙囪結(jié)構(gòu)，可以避免雷達(dá)產(chǎn)生艉部盲區(qū)。另外，經(jīng)過核查，雷達(dá)在該高度能夠滿足IMO SN.1/Circ.271中關(guān)于艏部盲區(qū)不超過500 m或兩倍船長的規(guī)定。這個(gè)方案下，雷達(dá)已經(jīng)位于空高限制的上方，但雷達(dá)高度距離空高限制僅1.39 m，因此，考慮設(shè)計(jì)可倒式燈桅(以下簡稱“可倒桅”)與升降式雷達(dá)座(以下簡稱“升降雷達(dá)”)來降低天線、信號燈與雷達(dá)的高度以彌補(bǔ)高度差。考慮到雷達(dá)本身旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生晃動(dòng)，雷達(dá)座不宜過高，設(shè)定可倒桅和升降雷達(dá)所在雷達(dá)平臺高度于距羅經(jīng)甲板6.38 m處，距離空高限制2.1 m。至此，雷達(dá)桅修改設(shè)計(jì)完成框架和定位工作。

圖2 雷達(dá)艉部盲區(qū)示意圖

3 雷達(dá)桅的修改設(shè)計(jì)過程

3.1 雷達(dá)桅設(shè)備布置調(diào)整

設(shè)定雷達(dá)平臺定位后，需要對雷達(dá)平臺上的設(shè)備進(jìn)行調(diào)整布置。

原雷達(dá)平臺上的信號燈桅為桁架結(jié)構(gòu)，由4根立柱加眾多橫梁構(gòu)成。而可倒式桅桿一般為單柱體，并且為了能夠保證桅桿正常起降，桅桿重量應(yīng)當(dāng)越輕越好。因此，設(shè)計(jì)時(shí)將原信號燈桅上的失控?zé)?、深吃水燈、新加坡海峽燈等移出雷達(dá)桅，大船燈和油輪警示燈移到雷達(dá)平臺上。

由于修改后新雷達(dá)桅主桅體長度為6.38 m，原雷達(dá)桅主桅體上的眾多信號燈在現(xiàn)有長度范圍內(nèi)已無法布置，因此將原雷達(dá)桅主桅體上的蘇伊士運(yùn)河信號燈移出。

將原下方平臺的汽笛移到主平臺上，下方平臺改建成升降雷達(dá)檢修平臺。修改后雷達(dá)桅主要設(shè)備布置見圖3。

3.2 可倒式燈桅節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在移出信號燈后，可倒桅上僅保留了莫氏燈、衛(wèi)通C站天線和風(fēng)速風(fēng)向儀，因此可倒桅可適當(dāng)降低高度。設(shè)計(jì)可倒桅主桅桿高度為4.4 m，含衛(wèi)通C站天線及其基座總高為6.09 m，高出空高限制3.99 m。

可倒桅總重為478 kg。考慮到上半部分的重量達(dá)300 kg，呈明顯的頭重腳輕狀態(tài)，升起時(shí)比較費(fèi)力，降落時(shí)則需要防備突然倒落，因此選用了液壓油缸作為可倒桅的動(dòng)力裝置，設(shè)計(jì)最大拉力為32 kN。

圖3 雷達(dá)桅及平臺設(shè)備布置示意圖

可倒桅總成見圖4。可倒桅為鉸鏈連接結(jié)構(gòu)，包括3個(gè)部分：可倒桅體、可倒桅底座及液壓動(dòng)力裝置?？傻刮Φ鬃耙簤簞?dòng)力裝置座焊接于雷達(dá)平臺上，平臺反面設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋。液壓動(dòng)力裝置與可倒桅桅體上的油缸支腿通過Φ40 mm的軸銷進(jìn)行連接?？傻刮ξw與可倒桅底座間采用異形法蘭連接，法蘭在靠艉部一側(cè)有Φ40 mm軸銷組成的鉸鏈。為避免可倒桅水平狀態(tài)下升起時(shí)的力矩過大，設(shè)計(jì)可倒桅與雷達(dá)平臺呈10°的傾斜，以利于升起操作。因此，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能地將異形法蘭和鉸鏈位于可倒桅主桅的下端，法蘭中心距雷達(dá)甲板0.38 m。正常工作狀態(tài)下，該法蘭是由螺栓連接固定好的，保持可倒桅的直立狀態(tài)；通航限制狀態(tài)下，需要先將法蘭上的緊固螺栓拆除后，才能進(jìn)行可倒桅的升降操作。

圖4 可倒式燈桅總成圖

3.3 升降式雷達(dá)座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

升降雷達(dá)共有兩件：S波段雷達(dá)較高，高出空高限制1.39 m；X波段雷達(dá)僅高出空高限制0.34 m。由于船東希望過橋時(shí)雷達(dá)仍能正常運(yùn)行，因此調(diào)整S波段雷達(dá)高度為49.780 m，X波段雷達(dá)高度為48.975 m。這樣既滿足了空高限制要求，同時(shí)也避開了雷達(dá)S/X波束間互相照射干擾。唯一的顧慮是，盡管X波段雷達(dá)降低后離周邊欄桿仍有120 mm的距離，但是考慮到X波段雷達(dá)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)引起的晃動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致其碰撞側(cè)面欄桿，因而將X波段雷達(dá)半徑范圍內(nèi)的欄桿設(shè)計(jì)成可拆式。該欄桿最上面的橫檔可拆。

S波段升降雷達(dá)的升降行程為1 165 mm，X波段升降雷達(dá)的升降行程為710 mm，均接近了其到雷達(dá)平臺的高度值，因此升降雷達(dá)需要穿過雷達(dá)平臺面，并將部分筒體設(shè)立在平臺的下方。

升降雷達(dá)總成見圖5。升降雷達(dá)由內(nèi)管、外管及手動(dòng)減速機(jī)3部分組成，內(nèi)管、外管材料均為不銹鋼。內(nèi)管的外壁附有直齒齒條，將齒條最上下兩端的齒封死可以作為限位裝置，外壁做好高度標(biāo)記用于辨識高度。外管的內(nèi)壁附有特氟龍墊塊，除潤滑之外，同時(shí)兼有矯正升降垂直度的作用。內(nèi)管、外管之間，在外管頂部設(shè)立鎖緊錐套。操作時(shí)，雷達(dá)升降通過手動(dòng)減速機(jī)操作，傳動(dòng)內(nèi)管的齒條進(jìn)行升降，內(nèi)管升、降到位后，在內(nèi)管下方插入蝴蝶螺栓用于支承托住內(nèi)管，再通過擰緊螺栓將鎖緊錐套下壓，鎖死內(nèi)管，達(dá)到緊固的目的。

圖5 升降式雷達(dá)座總成圖

升降雷達(dá)是通過焊接安裝在平臺甲板上的?？紤]到外管內(nèi)部有特氟龍等附件，以及焊接容易引起外管變形，因此在外管上預(yù)先焊接一個(gè)錐筒作為平臺上焊接件，準(zhǔn)備一個(gè)錐筒通過螺紋連接到外管上作為平臺下焊接件，通過焊接上下錐筒將升級雷達(dá)固定到平臺甲板上。

3.4 獨(dú)立信號燈桅節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與定位

由于原信號燈桅與原雷達(dá)桅主桅體上的各類信號燈均被移出新雷達(dá)桅，因此準(zhǔn)備設(shè)計(jì)獨(dú)立信號燈桅(以下簡稱“燈桅”)安放移出的信號燈。

3.4.1 燈桅的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

燈桅結(jié)構(gòu)見圖6。燈桅采用單根立柱加斜撐的結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、重量輕優(yōu)點(diǎn)。為避免干擾到可倒桅上的莫氏燈以及雷達(dá)平臺上的大船燈、油輪警示燈，燈桅不宜過高。根據(jù)實(shí)際條件設(shè)計(jì)燈桅主桅體高度為5.55 m，頂部失控?zé)舭惭b后總高為6.3 m。

燈桅伸出的信號燈燈座垂直方向間距1 m，符合信號燈安裝的要求。最下面的一盞信號燈距離羅經(jīng)甲板1.07 m，超出周邊欄桿1.05 m的高度。

3.4.2 燈桅的定位

最初燈桅安裝于雷達(dá)桅兩側(cè)，與雷達(dá)平臺前端平齊。在干涉檢查中發(fā)現(xiàn)，該位置已經(jīng)布置有F站天線，并且由于船名牌的遮擋，信號燈需要伸出羅經(jīng)甲板欄桿外，才能保證單側(cè)信號燈180°環(huán)照無遮擋。因此，綜合考慮上述因素和羅經(jīng)甲板反面的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)位置，將信號燈桅前移3個(gè)肋位，放置于羅經(jīng)甲板中前部的舷側(cè)，與駕駛室移門的圍壁結(jié)構(gòu)對齊。安裝時(shí)，需要微調(diào)船名牌及其照明燈的位置和高度，避免干擾信號燈。

4 雷達(dá)桅附件的功能試驗(yàn)及修正

雷達(dá)桅和信號燈桅制作安裝完成后，對其舾裝附件進(jìn)行功能試驗(yàn)。

4.1 可倒桅的起降操作試驗(yàn)

在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)可倒桅在向艉部方向降下時(shí)，總會(huì)偏向左舷。經(jīng)分析，燈桅頂部的1號與2號衛(wèi)通C站天線座的高度不一致，肘板大小不一致，是導(dǎo)致可倒桅重心偏向左舷的原因，并且由于可倒桅主桅體隨之倒向左舷，主桅體的重量加重了偏向的程度。經(jīng)計(jì)算，1號與2號衛(wèi)通C站天線座的重量差僅為27 kg，因此解決問題的關(guān)鍵是在可倒桅降落的初期保證不偏向?？紤]到艙蓋、鋼質(zhì)門等同為鉸鏈連接的舾裝件，對可倒桅的鉸鏈進(jìn)行改進(jìn)。在原有鉸鏈的兩側(cè)，另增加兩個(gè)同軸的隨動(dòng)鉸鏈，對可倒桅的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行限制，鉸鏈通過斜撐連接到主桅體上。修改完成后，試驗(yàn)效果良好，可倒桅成功倒入桅體支撐架。

4.2 升降雷達(dá)的升降操作試驗(yàn)

雷達(dá)降下后，發(fā)現(xiàn)較高的S波段雷達(dá)的隨行電纜處于自由狀態(tài)，有纏繞雷達(dá)的隱患。因此在S波段雷達(dá)附近甲板上焊接1根直立圓管用于綁扎電纜，限制其自由狀態(tài)。另外，還準(zhǔn)備了升降雷達(dá)操作警示牌，提醒操作人員避免雷達(dá)操作順序錯(cuò)誤造成S/X波段雷達(dá)間的碰撞。

4.3 雷達(dá)桅總高度的測量

在實(shí)船試驗(yàn)的同時(shí)，對雷達(dá)桅進(jìn)行測量。在可倒桅倒下，以及升降雷達(dá)降下的狀態(tài)下，經(jīng)測量，雷達(dá)桅總高度滿足變更后的船舶空高限制要求，船舶空高變更得以實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論

通過對111 000 t成品油船雷達(dá)桅的修改，經(jīng)實(shí)船測試驗(yàn)證，解決了船舶后期空高限制變更的問題，得出如下結(jié)論：

(1) 在船舶建造后期，修改雷達(dá)桅是可以解決空高變更問題的方法之一。但如果空高限制修改幅度過大，接近或超出雷達(dá)桅高度，通過修改雷達(dá)桅來解決問題則不可實(shí)現(xiàn)。

(2) 在設(shè)計(jì)修改雷達(dá)桅時(shí)，應(yīng)充分綜合考慮雷達(dá)、信號燈、磁羅經(jīng)、甲板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、欄桿舾裝件等眾多因素，避免忽略某個(gè)因素而導(dǎo)致返工。

(3) 除雷達(dá)桅主桅體降低外，可倒式燈桅和升降式雷達(dá)座等舾裝附件是有效解決信號燈和雷達(dá)高度調(diào)整的方法。可倒式燈桅和升降式雷達(dá)座等安裝完成后，還應(yīng)當(dāng)通過功能試驗(yàn)對其進(jìn)行驗(yàn)證。

(4) 本文討論的雷達(dá)桅為單主桅體結(jié)構(gòu)后桅，可以為同類型的單主桅體雷達(dá)桅修改提供借鑒。對于另外一種常見的多支柱型雷達(dá)桅后桅，由于該型式雷達(dá)桅的雷達(dá)平臺較低，且平臺在船寬方向尺寸較大，艏艉方向相對較小，遇到同樣需求時(shí)，其修改方案需要另行討論，但其設(shè)計(jì)限制的相關(guān)條件與本文實(shí)例基本一致，可以選擇性地參考。