劉寶新， 董 楠

(1.陸軍軍事交通學(xué)院聯(lián)合投送系，天津 300161；2.陸軍軍事交通學(xué)院五大隊(duì)研究生隊(duì)，天津 300161)

目前滾裝船是裝運(yùn)重裝備實(shí)施海上運(yùn)輸?shù)氖走x船型。船舶在海上航行過(guò)程中，會(huì)受到風(fēng)力、海浪沖擊力以及慣性力等各種不同方向力的綜合作用，船舶在發(fā)生不規(guī)律的顛簸和搖擺的同時(shí)，船上裝載的裝備也會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一定的空間位移趨勢(shì)。如果沒(méi)有外力對(duì)裝備進(jìn)行強(qiáng)力的約束，就很有可能會(huì)產(chǎn)生較大的加速度，并進(jìn)而發(fā)生明顯的位移，導(dǎo)致裝備與船艙發(fā)生碰撞或者相互撞擊，對(duì)船體和裝備本身造成不可估量的損害，嚴(yán)重危及航行安全。特大型重裝備為滿足海上運(yùn)輸要求，必須進(jìn)行可靠的系固。

1 裝備捆綁加固方案設(shè)計(jì)

1.1 捆綁加固器材類型及性能

當(dāng)前，海上運(yùn)輸常用的捆綁加固器材主要有非制式捆綁加固器材和制式捆綁加固器材。非制式捆綁加固器材主要有三角木、方木、鐵絲、鋼絲繩、繩索、絞棍等，主要應(yīng)用于緊急情況下或制式器材不足時(shí)[1]。利用非制式器材進(jìn)行捆綁加固時(shí)，先將三角木、方木置于車輪前后，將鋼絲繩一端與牽引鉤連接，另一端與船體連接，鋼絲繩中間使用絞棍收緊。

制式捆綁加固器材主要包括海船裝運(yùn)重裝備捆扎設(shè)備、加固帶等。海船裝運(yùn)重裝備捆扎設(shè)備(如圖1(a)所示)由球頭鉤、掛鉤、卸扣、綁扎鏈、收緊器等組成，其破斷力可分為5、7.5、10和16 t共四個(gè)等級(jí)，用于綁扎50 t以下的重型裝備。加固帶(如圖1(b)所示)是由尼龍、錦綸等纖維織物編制而成的，便于儲(chǔ)運(yùn)和操縱，是綁扎車輛的常用器材，其破斷力分為2、3、5和8 t共四個(gè)級(jí)別。

圖1 常用制式捆綁加固器材

1.2 捆綁加固基本要求

重裝備在進(jìn)行捆綁加固時(shí)，在遵循輪式車輛基本加固要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該根據(jù)裝備特點(diǎn)采取適當(dāng)措施以確保對(duì)裝備進(jìn)行有效約束。一是合理選擇系固點(diǎn)位置。為保證系固穩(wěn)定，重型輪式車輛應(yīng)在裝備上選取最強(qiáng)位置系固。不同于一般的民用輪式車輛可以選擇車輛輪轂作為系固點(diǎn)，超重裝備系固點(diǎn)不能選在車輪、擋板、保險(xiǎn)杠等易活動(dòng)位置，一般選在車架的左右兩側(cè)，以及前后拉車鉤上，盡量使系固力作用于底盤上。二是選擇合適的系固器材。要根據(jù)裝備的重量、風(fēng)浪的等級(jí)等因素，選擇數(shù)量合適的系索，保證系索的破斷強(qiáng)度滿足系固需要。三是系固角度要合適。民用輪式車輛因?yàn)槠渲匦妮^低，質(zhì)量較小，在系固器材數(shù)量和強(qiáng)度都合適的情況下可根據(jù)情況選擇適當(dāng)?shù)南倒探?，不?duì)系固角度進(jìn)行硬性要求。超長(zhǎng)超寬超重超高裝備在運(yùn)輸過(guò)程中因?yàn)榇皳u晃產(chǎn)生的慣性力較大，系固角過(guò)小不利于防止裝備傾倒，系固角過(guò)大則不利于防止裝備水平移動(dòng)。因此，為避免裝備在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生位移，在捆綁加固時(shí)應(yīng)采取合適的系固角，一般要求垂直系固角不超過(guò)60°，水平系固角不超過(guò)40°。四是系索盡量橫向和縱向?qū)ΨQ分布。系索對(duì)稱布置，可使裝備左右及前后受力均衡，不會(huì)形成一側(cè)受力過(guò)大而失效的不利情況[2]。一般在裝備前后采用“正八字”形式交叉系固，在裝備兩側(cè)采用“正八字”或“倒八字”的形式對(duì)稱系固，還應(yīng)注意的是在對(duì)重大裝備進(jìn)行系固時(shí)，系固在同一個(gè)地鈴或底座上的系索，不能超過(guò)3根，且受力方向不能相同。同時(shí)，因?yàn)檐囕v在船上裝載時(shí)縱向積載比橫向積載需要的系固器材更少[3]，所以重裝備裝載時(shí)盡量要選擇縱向積載，這樣超長(zhǎng)裝備在進(jìn)行裝卸時(shí)也能盡量沿直線行駛，減少裝備上下船所耗費(fèi)的時(shí)間。

1.3 捆綁加固方案制訂

特大型的輪式裝備本身慣性大、摩擦力小，容易產(chǎn)生移動(dòng)，是捆綁加固的難點(diǎn)。導(dǎo)彈部隊(duì)要結(jié)合實(shí)際海況條件，研究制定合理的捆綁加固方案。在此選取了某型號(hào)重裝備作為研究對(duì)象設(shè)計(jì)出一種較為合理的捆綁加固方案，并進(jìn)行校核計(jì)算，驗(yàn)證其可靠性。參數(shù)為：外形尺寸16 460 mm×3 050 mm×3 560 mm(長(zhǎng)×寬×高)，質(zhì)量50.5 t，軸距11 200 mm，重心高度1 780 mm。

需要利用的捆綁加固器材有：三角木20塊，最大系固負(fù)荷MSL為10 t(約100 kN)的綁扎鏈(或加固帶)12根。當(dāng)車輛上船定位熄火后，拉上手剎并自鎖，在其車輪前后用三角木掩緊。隨后用綁扎鏈進(jìn)行系固，分別在裝備第2軸前后、第1軸前和第5軸后、第3軸前和第4軸后拉成八字形，借助掛鉤鉤于地鈴上，用螺旋式張緊器鎖緊。具體的捆綁加固樣式如圖2所示。

圖2 某型號(hào)導(dǎo)彈運(yùn)輸車?yán)壖庸淌疽鈭D

2 捆綁加固方案校核

目前，軍用裝備海上捆綁加固技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還不健全，加固方案的設(shè)計(jì)還在不斷嘗試和摸索階段。因此，針對(duì)本文提出的捆綁加固方案，必須進(jìn)行科學(xué)的系固強(qiáng)度校核，來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證加固方案的可靠性。根據(jù)國(guó)際海事組織(IMO)對(duì)于系固校核的相關(guān)規(guī)定CSS (Safe Practice for Cargo Stowage and Securing)，本文主要通過(guò)精算法對(duì)上述系固方案進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2.1 確定校核評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

裝備在綜合外力下的平衡條件是：Fhoy≤[Fy]時(shí)，裝備不會(huì)發(fā)生橫向移動(dòng)；Fhox≤[Fx]時(shí)，裝備不會(huì)發(fā)生縱向移動(dòng)；Mx≤[Mx]時(shí)，裝備不會(huì)發(fā)生橫向傾覆。式中：Fhoy為裝備在橫向的水平移動(dòng)力；[Fy]為裝備貨件移動(dòng)的橫向約束力；Fhox為裝備在縱向的水平移動(dòng)力；[Fx]為阻止裝備移動(dòng)的縱向約束力；Mx為裝備橫向傾覆力矩；[Mx]為阻止裝備橫向傾覆的約束力矩。

若同時(shí)滿足以上要求，則表明捆綁加固方案合格。

2.2 裝備受力情況分析

本文研究的條件主要是借助滾裝船來(lái)實(shí)施跨海輸送，重裝備配載于滾裝船船艙內(nèi)甲板，暫不用考慮海風(fēng)的風(fēng)壓力和海浪帶來(lái)的波濺力影響。另外，系固前會(huì)在輪胎前后鋪設(shè)三角木以制動(dòng)裝備，但是系索的約束力必須保證裝備在任何情況下的穩(wěn)定，包括三角木等制動(dòng)器材的失效。因此，本文中的系固校核計(jì)算中暫不考慮三角木對(duì)裝備受力的影響，被系固的裝備主要受到慣性力、系固力和摩擦力的綜合作用。

2.3 各種力的計(jì)算[4]

2.3.1 慣性力

裝備在慣性力的影響下，會(huì)產(chǎn)生慣性加速度。因此，慣性力在各個(gè)方向上的分量可表示為：

Finx=max

(1)

Finy=may

(2)

Finz=maz

(3)

式中：ax為縱向加速度；ay為橫向加速度；az為垂向加速度。

在標(biāo)準(zhǔn)情況下，基本加速度取值參考圖3所示。

注：該表所給出的基本加速度值的條件為無(wú)限航區(qū)，全年航行，航次時(shí)間為25 d，船舶長(zhǎng)度為100 m，服務(wù)航速為15 kn(1 kn=0.514 m/s)，B/GM≥13(B為船寬，GM為穩(wěn)性)。若船舶航行于遮蔽水域中，則應(yīng)根據(jù)季節(jié)和航行時(shí)間適當(dāng)降低所列加速度值。圖3 標(biāo)準(zhǔn)船長(zhǎng)、航速下的基本加速度

若船舶長(zhǎng)度不等于100 m，航速不等于15 kn時(shí)，加速度值要做出一定修正，具體參數(shù)如表1所示。

表1 船長(zhǎng)和航速修正系數(shù)

當(dāng)船長(zhǎng)L及航速V在表1中仍沒(méi)有對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)時(shí)，可以根據(jù)式(4)計(jì)算出具體的修正系數(shù)k1：

(4)

當(dāng)B/GM<13時(shí)，橫向加速度還要進(jìn)行再修正，具體系數(shù)值k2按表2進(jìn)行確定。

表2 船舶穩(wěn)性修正系數(shù)

當(dāng)k2值無(wú)法從表格中直接確定時(shí)，可以通過(guò)求解線性方程的方法來(lái)進(jìn)一步求取。

2.3.2 系固力

一般對(duì)于斷裂強(qiáng)度為BS的系索，其擁有的最大系固負(fù)荷MSL=BS×δ，其中δ為破斷系數(shù)，根據(jù)使用次數(shù)的不同，取值一般在0.8～0.3之間。在工作實(shí)際中，為保證系固工況正常，還應(yīng)為系索賦予一定的安全系數(shù)，取值一般為1.35。

因此，系索的計(jì)算拉力值為：

(5)

若同時(shí)考慮垂直系固角α和水平系固角β，則一根系索作用于裝備的系固力F可以分解為垂直于甲板的力Fz和平行于甲板的力Fxy，F(xiàn)xy又可以分解為縱向的分力Fx和橫向的分力Fy(如圖4所示)。

圖4 系索拉力值的分解

系索各方向的拉力為：

Fz=Fsinα

(6)

Fxy=Fcosα

(7)

Fx=Fxysinβ=Fcosαsinβ

(8)

Fy=Fxycosβ=Fcosαcosβ

(9)

2.3.3 摩擦力

由于系固力產(chǎn)生垂直于甲板面向下的分力，因此摩擦力會(huì)相應(yīng)增大,設(shè)摩擦系數(shù)為μ，其取值一般為0.3。

2.4 校核條件分析

2.4.1 橫向受力

由于系索拉力在Z軸方向上有一個(gè)向下的分力，從而會(huì)增加裝備與甲板間的摩擦力。因此，綜合所有系索產(chǎn)生的橫向拉力和摩擦力，裝備受到橫向約束力

(10)

因?yàn)閼T性力作用，裝備受到的橫向移動(dòng)力為：

Fhoy=Finy=mαy

(11)

若Fhoy≤[Fy],說(shuō)明橫向系固合格。

2.4.2 縱向受力

由于裝備的慣性加速度在Z軸方向上產(chǎn)生一個(gè)向上的分力，會(huì)減小裝備與甲板的摩擦力。因此，裝備受到縱向約束力：

(12)

裝備受到的縱向移動(dòng)力為：

Fhox=Finx=mαx

(13)

若Fhox≤[Fx],說(shuō)明裝備縱向系固合格。

2.4.3 橫向傾覆

系索拉力的縱向分力對(duì)裝備傾覆沒(méi)有約束作用，因此只考慮橫向分力、垂向分力以及裝備自重對(duì)傾覆軸產(chǎn)生的約束力矩即可。重裝備種類繁多，重心高度各不相同，但是基本位于裝備中心位置，因此，本文將重心高度統(tǒng)一按照0.5h計(jì)算。裝備傾覆力矩示意圖如圖5所示。

圖5 橫向傾覆力矩

則橫向約束力矩為：

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

(14)

式中：li為系固點(diǎn)到橫傾軸o的垂向高度；0.9為安全系數(shù)；b為裝備寬度；b1為輪胎寬度。

設(shè)系索產(chǎn)生的力矩為：

(15)

橫向移動(dòng)力產(chǎn)生的傾覆力矩為：

Mx=0.5hmαy

(16)

若Mx≤[Mx]，說(shuō)明裝備防傾覆系固合格。

2.5 校核計(jì)算

設(shè)定系固方案基礎(chǔ)信息：承運(yùn)船舶長(zhǎng)127 m，船寬B為20.5 m，航速12.5 kn，初穩(wěn)性高度GM為1.7，B/GM為12。裝備指標(biāo)如前所示，車輛輪胎寬度350 mm。擬裝載在船舶二層車輛甲板，裝載位置距離船尾0.8倍船長(zhǎng)。系固采用對(duì)稱系固方式，每側(cè)6根系索，從車頭至車尾系索垂直系固角和水平系固角分別為(35°，30°)、(30°，40°)、(30°，25°)、(30°，25°)、(30°，40°)、(35°，30°)，系固點(diǎn)高度均為2 m，系索最大系固負(fù)荷MSL為100 kN。

2.5.1 計(jì)算加速度

因?yàn)锽/GM為12<13，可查閱表2，得k2=1.03。進(jìn)而可以求得修正加速度值為：αx=1.560 m/s2,αy=4.740 m/s2,αz=5.928 m/s2。

2.5.2 橫向受力校核

由于裝備是對(duì)稱捆綁加固，橫向移動(dòng)和傾覆校核只需要選擇一側(cè)進(jìn)行校核即可。

橫向約束力[Fy]=471.086 kN,橫向移動(dòng)力[Fhoy]=may=239.37 kN,Fhoy≤[Fy]，裝備不會(huì)發(fā)生橫向移動(dòng)。

2.5.3 縱向受力校核

因?yàn)檠b備一側(cè)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對(duì)應(yīng)，所以裝備的縱向移動(dòng)校核只需要選擇方向相同的3根系索進(jìn)行校核。

縱向約束力[Fx]=160.406 kN, 縱向移動(dòng)力[Fhox]=max=78.78 kN,Fhox≤[Fx]，裝備不會(huì)發(fā)生縱向移動(dòng)。

2.5.4 橫向傾覆校核

橫傾約束力矩[Mx]=1 178.599 kN·m，橫傾力矩Mx=426.079 kN·m，Mx≤[Mx]，裝備不會(huì)發(fā)生橫向傾覆。特別需要說(shuō)明的是僅計(jì)算裝備自身重力所產(chǎn)生的橫傾約束力矩[Mx]=0.5mg(b-b1)=681.75 kN·m，也能滿足Mx≤[Mx]，表明裝備即使不加固捆綁也不會(huì)發(fā)生橫向傾覆。

2.6 結(jié)果分析

綜合以上校核計(jì)算結(jié)果可以看出，此加固方案是合理可行的。但是當(dāng)船舶高速頂浪航行、隨浪或隨尾斜浪航行和發(fā)生嚴(yán)重橫搖共振等情況時(shí)，加速度值可能超過(guò)圖1中的數(shù)值，因此船舶在航行過(guò)程中應(yīng)避免出現(xiàn)這種情況[4]。為了確保航行安全，重裝備在跨海輸送途中要注意加強(qiáng)檢查，及時(shí)掌握裝備捆綁加固狀況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)糾正。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，特大型重裝備海上運(yùn)輸捆綁加固技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還不完善，專用捆綁加固器材還沒(méi)有列裝使用。本文提出的捆綁加固方案及校核方法，適用于大多數(shù)重大型裝備，且方便操作，易于掌握，具有很好的實(shí)用性和參考價(jià)值。