船舶重大件貨物安全系固

船舶重大件貨物安全系固船舶重大件貨物安全系固 集裝箱橋吊海上運輸主動力計算分析 廖建清 中華人民共和國福州海事局 福州 350015 摘 要 集裝箱橋吊海上運輸屬特殊重大件貨物海上運輸 本文應用 IMO 貨物系固手冊編制指南 的編制原理 結(jié)合集 裝箱橋吊海上運輸實踐 推導出集裝箱橋吊海上運輸過程中整體及重要部位受力分析公式 為這一特殊領域的貨物系固 和有關強度核算打下理論基礎 關鍵詞 橋吊 海上運輸 受力分析 1 引言 集裝箱橋吊海上運輸具有專業(yè)性強 技術要求高 風險大的特點 它需要專業(yè)的運輸船舶或?qū)?業(yè)的運輸駁船 專門的積載和系固 專業(yè)的技術人員 涉及船舶穩(wěn)性和強度以及專業(yè)運輸管理等方 面技術 保證其足以抵御海上的一般風險 從而實現(xiàn)這種特殊的重大件貨物的海上運輸 目前國內(nèi)外在這方面的技術處于業(yè)務壟斷和技術保密狀態(tài) 理論研究分析不多 平常航海人員 通常采用設計好的固定堆垛方式或用粗略估計 非語言式思維和模糊控制理論等方式處理一般貨物 組件的船上積載 但對于重大件非標準貨物海上運輸 一定要做到心中有數(shù) 一定要用數(shù)學思維 量化分析處理船舶穩(wěn)性和強度等問題 在整個運輸過程中 要考慮種種因素 預先制定出一整套運 輸方案 且在每一個運輸環(huán)節(jié)還要反復考察論證方案的正確性 所以本文先從橋吊在船上積載和主 動力計算兩方面入手 歸納兩點理論的主動力計算方法 為這一特殊運輸領域的船舶穩(wěn)性 強度核 算 海上拖帶 風險控制提供參考 2 集裝箱橋吊海上運輸?shù)姆e載 2 1 橋吊海上運輸要求專門的船舶 首先船舶要有適當?shù)某叨群妥銐虻膹姸?以抵御海上的一般風險 其次船舶要有能夠調(diào)節(jié)穩(wěn)性 和吃水系統(tǒng) 實現(xiàn)門對門運輸 本文只討論第一部分的主動力計算問題 此外船上要裝備起重 頂 壓 氣割 焊接等安裝設備 2 2 運輸船舶尺度要求 一是寬度要基本與橋吊的橫向門跨度相一致 或偏寬 偏窄誤差在 2 3m 之內(nèi) 長度則要大大 于橋吊的縱向門跨度 甲板是連續(xù)甲板 船體的橫梁和肋板要對應在橋吊側(cè)腿支點的正下方 如果 不剛好的話 在船體上要加焊強力肋骨和肋板 使之處于橋吊側(cè)腿支點的正下方 以滿足船體局部 強度的要求 2 3 橋吊積載考慮的因素 橋吊的橫向跨度與甲板寬度大致相同 由于橋吊的自身重量很重 單件重量在千噸以上 且重 量分布不一定均勻 分布在四個門腿的重量有幾百噸 積載時以下因素要認真考慮 1 裝卸是要靠外力使橋吊從岸上移動到船甲板上或從船甲板上移到岸上的預定位置 整個過 程要平穩(wěn)有序進行 首選的是在門腿下安裝軌道 實行軌道滑動裝卸 2 軌道下面要有足夠的襯墊板 以保證船甲板的局部強度要求 3 保證橋吊的重心在船舶的中縱剖面上 所以在裝載之前一定要有橋吊的有關資料 如主要 尺度 重量 重心位置 受風面積 主要設備保護措施等資料 4 要事先選定裝卸的舷側(cè) 是右舷還是左舷 以便軌道的安裝和預定的裝卸操作走向 這就 要求在制定運輸方案之前要反復考察論證 5 如果甲板寬度不夠 或者為調(diào)整重心位置而需門腿向一側(cè)偏移時 導致一側(cè)門腿超出甲板 寬度 這時需在超出一側(cè)橫向加接受載底座 以滿足裝載要求 6 船體各艙要專門設計成可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)船舶重心高度 船舶吃水和防自由液面影響的 隔艙 以滿足受載后船舶穩(wěn)性以及裝卸時根據(jù)潮位調(diào)整甲板與碼頭平臺的隨時水平 7 位置較低的電機 接線箱和開關箱等電器設備 以及裸露的較精密的機械零件和設備均需 用油布等包裹嚴實 避免海水侵蝕 造成損壞 2 4 橋吊船上積載方法 2 4 1 軌道安裝方法 軌道安裝方法如圖 1 鋼軌的鋪設有橫向和縱向 橫向的軌距與門腿橫跨度一致 誤差應保持 在 10mm 內(nèi) 軌道下面鋪墊強力鋼板 鋼板直接焊接在甲板上 軌道再焊接在強力鋼板上 焊接要牢 固 軌道之間用連接板連接定位 軌面不平時 用墊板墊平 2 4 2 橋吊腿側(cè)積載要求 由于船舶在海上航行會遇到風浪的危險 船舶搖擺是造成橋吊移動的最大危險 在積載上采取 兩腿側(cè)輪相互垂直積載 以減少搖擺造成滑動的危險 圖 1 為橋吊的腿輪可以 90 調(diào)整和安裝 安 裝工藝可分別用大型千斤頂頂離軌道 脫開構件連接螺栓 旋轉(zhuǎn) 90 后再對準連接固定 強度上不 變 3 裝箱橋吊在甲板上的主動力計算公式 受力分析是本文的中心內(nèi)容 通過受力分析 了解橋吊相對于船甲板的相對滑動力和受壓力變 形趨勢 為下一步的橋吊系固和強度計算提供最基礎的理論依據(jù) 3 1 風浪中橋吊在甲板上的主動力分析 海上運輸靜態(tài)情況很少 在有風浪小傾角的情況下 即船舶傾角小于 10o 15o 甲板邊緣開始入 水情況下另外核算 情況下 甲板上積載的貨物單元主要受到物體運動的慣性力 風的作用力和浪 打的波濺力等三種主動力的作用 這是普遍現(xiàn)象 根據(jù)力的分解原理 三種主動力可以分解為縱向 橫向和垂向的分力 Fx M ax Fwx Fsx Fy M ay Fwy Fsy Fz M g M az 式中 Fx 縱向主動力 Fy 橫向主動力 Fz 垂向主動力 M 貨物單元的質(zhì)量 重量 t ax ay az 貨物單元據(jù)其在不同貨位時縱向 橫向和垂向加速度 m s2 Fw xy 貨物單元所受到縱向或橫向的風力 kN Fs xy 貨物單元所受到縱向或橫向波濺力 對集裝箱橋吊在海上運輸而言 縱向主動力 Fx 受到縱搖加速度力 M ax 縱向的風力 Fwx 和縱 向波濺力 Fsx 由于橋吊主體構架較高 浪打不到那么高 波濺力 Fsx 可以忽略不計 所以縱向受 力 Fx 只剩下加速度力 M ax 和風力 Fwx 即 Fx M ax Fwx 橫向主動力 Fy 受到橫搖加速度力 M ay 橫向的風力 Fwy 和橫向波濺力 Fsy 同理橫向波濺力 Fsy 可以忽略不計 所以橫向受力 Fy 只剩下加速度力 M ay 和風力 Fwy 即 Fy M ay Fwy 垂向受力 Fz 有自身重力 M g 波浪引起的上下垂蕩運動的加速度力 M az 但要說明的是 自身 重力 M g 永恒向下 設向下為 波浪引起的上下垂蕩運動的加速度力 M az 有時向上 有時 則向下 由低位置向上做加速度運動時 橋吊對船甲板的反作用力為正 這是我們要考慮的主要問 題 所以對甲板受力的程度最大的應考慮在船體橫傾到一側(cè)且同時由低位置轉(zhuǎn)向上運動的瞬間受力 最大狀態(tài) 即 Fz M g M az 綜上所述 橋吊整體主動力計算公式為 Fx M ax Fwx Fy M ay Fwy 1 Fz M g M az 風的壓力可估算 Fwx Pw A wx Fwy Pw A wy 式中 Pw 為估算風壓強 取 Pw 1 kN m2 A wx 露天甲板上橋吊縱向受風面積 m2 A wy 露天甲板上橋吊橫向受風面積 m2 A wx 和 A wy 廠家應提供的數(shù)據(jù) 公式 1 是本文把集裝箱橋吊海上運輸當作整體的貨物組件進行分析的重要結(jié)論 3 2 幾個加速度值的確定 橋吊在運輸過程中必須保持剛性不變 所以根據(jù)剛性物體的運動學原理和轉(zhuǎn)動定律 加速度 1 式中 l 是橋吊重心距船舶橫縱漂心的距離 M 是船舶所受的合外力矩 J 是船舶的轉(zhuǎn)動慣量 合外力矩 M 和轉(zhuǎn)動慣量 J 與船舶的質(zhì)量 形狀 運動狀態(tài)有關 所以橋吊的加速度 a 分縱 ax 橫 ay 垂 az 與船舶的質(zhì)量 形狀 運動狀態(tài)有關 為知道縱 ax 橫 ay 垂 az 的值 本文重點介紹應用 IMO 貨物系固手冊編制指南 確定加速度值 的原理 確定 ax ay az 值 所以簡捷的確定加速度值方法為 2 式中 a0 x 橋吊在不同裝載位置時縱向基本加速度值 aoy 橋吊在不同裝載位置時橫向基本加速度值 aoz 橋吊在不同裝載位置時垂向基本加速度值 k1 船速修正系數(shù) k2 穩(wěn)性高度修正系數(shù) 以上基本值和修正系數(shù)是 IMO 在標準條件下 無限航區(qū) 全年航行 連續(xù)航行 25d 船舶長度 為 100m 和船舶航速 15kn 計算出 aox aoy aoz 并以表格的形式確定具體數(shù)值提供給使用者 充分體現(xiàn)了不同位置搖擺產(chǎn)生的加速度值是不一樣的 位置越高加速度值越大 離船中 漂心 越 遠加速度值越大 與實際完全吻合 修正系數(shù) k1 的意義是當實際船舶與標準船型 船速不一樣時的 修正系數(shù) 也體現(xiàn)了船速越快 急轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的加速度值越大 船型越短急轉(zhuǎn)向時回旋半徑越小 離 心加速度值越大 修正系數(shù) k2 的意義是穩(wěn)性高度修正值 體現(xiàn)了初穩(wěn)性高度越大 船舶搖擺的劇烈 程度越厲害 加速度值也越大 以上 5 個數(shù)值均可在各船旗國政府認可的每艘船舶 貨物系固手冊 中隨時查到 是可查數(shù)據(jù) 而且考慮到最不利因素的影響 也就是說實際的數(shù)值比表列的數(shù)值要小 所以根據(jù)表列數(shù)值計算的結(jié)果是安全的 4 主動力計算公式 1 和 2 結(jié)論分析 4 1 主動力對橋吊自身構件的影響 以上橋吊的主動力計算公式 1 和 2 是建立在把橋吊整體當作質(zhì)點來分析的 這種分析方 法可以使復雜問題簡單化 只要橋吊整體剛性保持不變 這種按質(zhì)點的分析方法是科學的 滿足客 觀了解事物的要求 但在風浪中要保證橋吊整體剛性不變 就得要求對橋吊自身各個構件進行綁扎 以滿足海上運輸?shù)囊话泔L險 同時本文分析的目的在于認識整體橋吊在海上運輸中產(chǎn)生主動力情況 而對橋吊自身各個構件的受力不作詳細分析 4 2 橋吊主動力對船舶穩(wěn)性 強度影響的定性定量分析 4 2 1 橋吊主動力對船舶穩(wěn)性的影響 橋吊整體重量一般在 1200t 以上 且重心位置高離甲板 30m 以上 如果一船同時運送幾臺橋吊 那么對船舶載重 船舶初穩(wěn)心高度 GM0 和船舶傾覆力矩 Mh 將產(chǎn)生重大影響 根據(jù)船舶原理 載一個 用下面公式 3 計算初穩(wěn)性高度變動值 當裝載多個集裝箱橋吊 Pi 10 時 穩(wěn)心高度新值 KM1 及船舶重心高度新值 KG1 的計算式為 GM1 KM1 KG1 m KG1 KG0 Pi Zi 1 m GM GM1 GM0 m 式中 KM1 根據(jù)排水量新值 1 1 Pi 由靜水力曲線圖重新查取 Pi 每件橋吊的重量 t 裝載時取 卸載時取 Zi 每件橋吊的相應重心距基線高度 m 下面舉例分析 例 1 某船排水量 D0 為 38806 18t 并非滿載 船長 200m 甲板寬度 32m 型深 14m KM0 15 113m KG0 12 73m 單臺橋吊重量為 1200t 橋吊重心高度距甲板 36 9m 設橋吊裝在 0 6L 處 船速 12kn 橫向受風 Y 方向受風面積 1156 3m2 Y 方向受風作用高度 Zm 36 84m 求 1 裝船后對初穩(wěn)性高度影響 2 在風浪中對動穩(wěn)性的影響有多大 解 1 近似的計算方法是 在只裝卸一個橋吊時 一般 Pi 10 忽略了 KM 值的少量變化 把 KM 值看作不變 僅僅看作是船舶重心高度變化的結(jié)果 也就是可以假設 只裝一個橋吊時 先將橋 吊重量 P 裝在船舶原重心 G0 位置上 再將橋吊重量 P 自 G0 位置垂直上移至實際裝載位置 Zi 橋吊 的垂移距離為 Z G0 Z i 船舶重心也由 G0 移至 G1 根據(jù)平行力移動原理 船舶重心移動距離 為 G0 G1 即初穩(wěn)性高度變動值 GM 可按下式計算 因為 P i Z G0 Z i Pi GM 所以 GM P i Z G0 Z i Pi 或 3 計算得 GM 1200 12 73 36 9 14 38806 18 1200 1 1449 m 由公式 3 計算得穩(wěn)性高度降低約 1 1449m 初穩(wěn)性高度降為 GM1 KM0 KG0 GM 15 113 12 73 1 1449 1 2381m 也就是說裝完一個橋吊后 GM 值降為 1 2381m 2 對動穩(wěn)性方面 橫向受力由公式 1 和 2 計算 橫向主動力 Fy 得 Fy M ay Fwy ay aoy k1 k2 經(jīng)查 aoy 6 8 k1 0 56 k2 1 ay 6 8 0 56 1 3 8 m s2 那么 Fy 1200 3 8 1156 3 1 5716 3 kn 增加傾覆力矩 M ah Mah M ay 36 9 型深 Fwy Zm 型深 1200 3 8 36 9 14 1156 3 36 84 14 290959 67 knom 定量算出橋吊的增加傾覆力矩 M ah 根據(jù)船舶的穩(wěn)性報告書 計算風對船體上部產(chǎn)生的傾覆力 矩 Mw 總的傾覆力矩 Mh 就可以計算出來 經(jīng)過核算就可分析是否滿足船舶動穩(wěn)性要求 見動穩(wěn)性 曲線圖 圖 2 根據(jù)動穩(wěn)性平衡原理 面積 a 面積 b 2 要小于進水角 以上分析只說明橋吊運 輸對船舶穩(wěn)性影響相當大 所有的量化計算結(jié)果均應滿足 IMO 穩(wěn)性規(guī)則 要求 這里不作重點說 明 4 2 2 腿側(cè)受力對船體局部強度的影響 從橋吊主動力計算公式 1 中 還說明力來自縱 橫 垂三個方向 并隨著船舶的縱搖 橫搖 和垂蕩橋吊各腿側(cè)的受力各不相同 但作為海上運輸風險預測 必須考慮最大危險存在的情況 下 面通過船舶橫風橫浪向右橫傾 15o 時 小傾角中的最大角 橋吊受力在腿側(cè)處分解的分析 知道腿 側(cè)支點處受壓力有多大 從而進一步知道橋吊腿側(cè)壓力對船體局部強度的影響有多大 考慮風力作用中心與重心不很接近 則分開分解后落到甲板 再疊加 可推導出以下公式 4 公式如下 Zt 右壓 1 2 F1 F2 cos F3 cos Zt 左壓 1 2 F2 F1 cos F3 cos Yt 各個滑 1 4 F1 F2 sin F2 F1 sin 4 F3 sin F3 sin 式中 Zt 右壓 右側(cè)腿壓力 Zt 左壓 左側(cè)腿壓力 Yt 各個滑 每個側(cè)腿的平均橫向滑動力 橋吊重心所在縱剖面與橋吊重心和右側(cè)腿支點連線的夾角 橋吊重心所在縱剖面與橋吊重心和左側(cè)腿支點連線的夾角 橫向風力作用中心所在縱剖面與風力作用中心和左側(cè)腿支點連線的夾角 橫向風力作用中心所在縱剖面與風力作用中心和右側(cè)腿支點連線的夾角 F1 Fz 在橋吊重心和右側(cè)腿支點連線上的分力 F2 橫向加速度力 Fay 在橋吊重心和右側(cè)腿支點連線上的分力 F1 Fz 在橋吊重心和左側(cè)腿支點連線上的分力 F2 橫向加速度力 Fay 在橋吊重心和左側(cè)腿支點連線上的分力 F3 橫向風力 Fwy 在風力作用中心和左側(cè)腿支點連線上的分力 F3 橫向風力 Fwy 在風力作用中心和右側(cè)腿支點連線上的分力 以上公式 4 是本文集裝箱橋吊海上運輸對腿側(cè)支點處局部受力分析的結(jié)論 本例題的參數(shù)在表 1 中列出 按公式 4 計算的結(jié)果見表 2 表 1 求解參數(shù) Fwy 橫 向作用 高度 m Y 方向支點間 距離 m Fwy 橫 向作用 中心縱 剖面距 左腿側(cè) 支點的 距離 m F1 t F2 t F1 t F2 t F3 t F3 t 36 8432 2 15 1722 1224 722 3824 81352579 9262 2591 4158 5118 0 表 2 各門腿對支點壓力和滑動力值 Z t t Yt t 門腿右 1 956 8245 4 門腿右 2 956 8245 4 門腿左 1 223 0 245 4 門腿左 2 223 0 245 4 SUM1467 6981 6 同理也可以對船舶在迎風 迎浪情況下進行計算 但這里就不作重復了 根據(jù)以上表 2 計算結(jié)果 可以清楚看出 1 當船舶在風浪中航行時 橋吊的各腿側(cè)對支點處的壓力左右是不一樣的 當船舶右傾時 右邊的支點受壓力增大 左邊支點受壓力減少 反之亦然 但由于 May 和 Fwy 方向不同 壓力和滑 動力稍有差別 所以按公式 4 計算結(jié)果作為風險控制是安全的 2 壓力的增大勢必對船體的局部強度產(chǎn)生影響 對船體的局部強度要以特殊的方式進行加固 3 腿側(cè)的垂躍和滑動是集裝箱橋吊運輸最不利的主動力 必須使用約束反力進行安全系固 所以橋吊海上運輸非同一般的大件貨物運輸 它需要專業(yè)的船舶 特殊的工藝 特殊的結(jié)構布置 但所有的依據(jù)都是要建立在力的分析的基礎上 本文中通過上述有關主動力分析 得出兩點結(jié)論 即公式 1 和公式 4 是橋吊海上運輸受力分析的基本理論基礎 在海上運輸實踐中或有關部 門安全檢查 風險評估中都可加以應用 4 3 橋吊受力會引起垂躍和滑動 必須安全系固 按公式 4 分析 在最大向右橫搖 15 時 各門腿的橫向平均滑動力高達 245 4t 水平滑動 力大 向左橫傾 15 時 受力大小稍為減小 方向向左 所以 為了有效防止橋吊滑動 必須進行 有效的橫向系固 同時在搖擺過程中 當重心偏離一側(cè)以及搖擺的慣性力作用 會引起橋吊腿側(cè)垂 躍運動 也必須進行有效的垂向系固 否則將導致船舶傾覆 所以怎樣評估系固的安全性 系固設 備的約束力要大于橋吊產(chǎn)生的縱橫垂主動力 也就是本文進行主動力分析的目的 4 4 1 滑動輪的安全系固 為了防止橫向的滑動 直接用弧型肘板墊住所有橋吊滑動輪 并用電焊焊牢 固定在裝卸軌道 上 如圖 3 并用垂直撐桿連接滑動輪機架下橫梁和船甲板 使滑動輪牢固在設定的位置上 4 4 2 腿側(cè)的三維系固如圖 1 所示 1 用橫向內(nèi)撐桿 按上述例題分析的數(shù)值需要直徑 609mm 管壁厚度 10mm