CN109113026A - 一种船舶系缆力减小方法 - Google Patents

Abstract

一种船舶系缆力减小方法，在不改变目前浮式系船柱情况下，在船舶钢缆绳与浮式系船柱的柱体间增加缓冲耗能装置，缓冲耗能装置由缆圈、套筒、弹簧、拉杆、挂钩组成，缓冲耗能装置的一端挂于浮式系船柱的柱体，当船舶停泊系缆时，船舶钢缆绳挂于缓冲耗能装置的另一端挂钩，船舶与浮式系船柱之间为钢缆绳与缓冲耗能装置的串联系统，当钢缆绳受拉时，拉杆一端的压板随拉杆一起压缩弹簧，弹簧发生位移做功，吸收耗散船舶的动能，采用弹性模量小于钢缆绳弹性模型的弹簧，串联系统的抗拉刚度即小于钢缆绳的抗拉刚度，即可减小系缆力。本发明船舶系缆力减小方法原理清晰、结构简单、易于实现、效果显著，为保障已建船闸大型化船舶通航安全提供技术支撑。

Description

一种船舶系缆力减小方法

技术领域

本发明涉及一种方法，具体说是一种船舶系缆力减小方法，属于内河船舶通航领域。

背景技术

随着我国内河水运的快速发展，船舶大型化趋势日益明显，船舶的尺寸、载重吨、吃水等不断增大，如三峡、葛洲坝船闸设计的通航船舶为3000吨级，而如今申报过闸船舶中5000吨级及以上的大型船舶已超过全部过闸船舶的40％。船舶的大型化对通航建筑物提出了更高的要求，因为随着船舶排水量的大幅增加，船舶在上下游引航道导航墙、靠船墩、闸室内停泊时系缆力相应增大，船舶的最大系缆力通常为船舶排水量的1.5‰左右，因此，船舶排水量的增大将直接导致系缆力的增大，而船闸的系缆设施是按原设计船舶的排水量进行设计的，如三峡、葛洲坝船闸最大容许系缆力约为6吨(纵向4.6吨、横向2.3吨)，而目前5000吨级船舶总的排水量约7000吨，实测最大系缆力已超过20t，过闸船舶的实际系缆力的显著增大，远超出设计容许值，不仅影响了船舶的停泊安全，断缆现象频繁发生，也对系船柱及闸墙的安全造成很大的威胁，三峡船闸每年多次出现浮式系船柱损坏情况。为应对船舶吨位增大带来的影响，葛洲坝和三峡船闸更换了浮式系船柱，提高了浮式系船柱的设计承载力，努力保证浮式系船柱的安全，但实际应用情况不佳，在钢缆绳较大荷载摩擦作用下，浮式系船柱的柱体磨损严重，仍然会发生破坏。考虑如何有效减小系缆力应该是解决此问题更佳的思路。

目前，减小过闸船舶的系缆力主要有两种措施，一是改善船舶的停泊条件，从减小作用于船舶的水动力荷载考虑，提出有利于船舶停泊的船闸充泄水方式；二是采用合理的系缆方式，“系多缆、系紧缆”。对于第一种运行措施，已通过阀门开启方式优化，将充泄水过程的水流波动条件改善到最优，基本没有提升空间，若大幅减小输水流量、延长输水时间，将严重影响通航效率。对于第二种系缆措施，在多次原型观测中已经证实，采用多根缆绳很难实现受力的平均分配，多根缆绳中往往只有一根或两根缆绳同时受力，同样无法减小系缆力。因此，面对船舶的大型化、系缆力超标、船舶和系缆设施存在很大安全风险的现实问题，在目前既有措施无法应用的情况下，提出一种新的有效的船舶系缆力减小方法十分迫切。

发明内容

船舶在船闸闸室内停泊系缆，缆绳一般为钢缆绳，与浮式系船柱连接近似刚性连接，船舶受水流荷载作用后产生一定的动能并移动，钢缆绳受力阻止船舶运行，船舶的动能需要钢缆绳做功加以消耗，即W＝F·S，式中，W为船舶的动能，F为钢缆绳受力，S为钢缆绳变形伸长，由于钢缆绳的弹性模量较大，即钢缆绳抗拉刚度k较大，变形很小，S＝F/k，则W＝F²/k，可见，在动能一定的情况下，钢缆绳受力与其抗拉刚度呈反比。在钢缆绳抗拉刚度很大的情况下，在船舶移动的瞬间，钢缆绳绷紧，缆绳拉力迅速冲高，导致系缆力很大。

本发明即针对大型船舶系缆力过大问题，提出一种船舶系缆力减小方法，保证船舶及系泊设施安全。

本发明一种船舶系缆力减小方法，主要通过以下技术来达到上述目的：

在不改变目前浮式系船柱情况下，在船舶钢缆绳与浮式系船柱的柱体间增加缓冲耗能装置，缓冲耗能装置的一端挂于浮式系船柱的柱体，当船舶停泊系缆时，船舶钢缆绳挂于缓冲耗能装置的另一端，船舶与浮式系船柱之间为钢缆绳与缓冲耗能装置的串联系统，船舶动能W与系缆力F和串联系统抗拉刚度k’的关系为W＝F²/k’，在船舶动能一定的情况下，当串联系统的抗拉刚度k’小于原钢缆绳的抗拉刚度k，即可降低系缆力F。

通过以下设计实现串联系统的抗拉刚度k’小于原钢缆绳的抗拉刚度k：

(1)串联系统的钢缆绳抗拉刚度为k₁，k₁＝E₁/L₁，其中，E₁为钢缆绳的弹性模量，L₁为钢缆绳的长度，缓冲耗能装置的抗拉刚度为k₂，k₂＝E₂/L₂，其中，E₂为缓冲耗能装置的弹性模量，L₂为缓冲耗能装置的长度；

(2)原钢缆绳的长度为L，L＝L₁+L₂，原钢缆绳的抗拉刚度k＝E₁/L＝E₁/(L₁+L₂)；

(3)钢缆绳与缓冲耗能装置串联后，串联系统的抗拉刚度k’＝k₁·k₂/(k₁+k₂)＝E₁/(L₁+(E₁/E₂)·L₂)；

(4)当E₁等于E₂，即缓冲耗能装置仍为钢缆绳时，k’与k相等，系缆力无法减小，只要E₂小于E₁，则k’小于k，系缆力减小。

缓冲耗能装置通过以下设计实现缓冲耗能装置的弹性模量E2小于钢缆绳的弹性模量E₁：

(1)缓冲耗能装置由缆圈、套筒、弹簧、拉杆、挂钩组成，缆圈圈在浮式系船柱的柱体上，缆圈一端与套筒相连，拉杆穿过弹簧中心，共同置于套筒内部，拉杆的一端为压板，另一端与挂钩相连，挂钩用于系船舶铜缆绳；

(2)当钢缆绳不受力时，拉杆和弹簧均处于自由状态，当钢缆绳受拉，则拉杆受力，拉杆一端的压板随拉杆一起压缩弹簧，弹簧发生位移做功，吸收耗散船舶的动能；

(3)弹簧的弹性模量即为缓冲耗能装置的弹性模量，选择弹性模量小于钢缆绳的弹性模量的弹簧，即达到减小钢缆绳与缓冲耗能装置串联系统的抗拉刚度、减小系缆力的目的。

弹簧的设计除了满足弹性模量要求外，还需要满足承载能力的要求，弹簧的承载力应根据设计的最大系缆力确定。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

(1)原理清晰，结构简单，易于实现，不需要更改既有船闸或船舶的系船设施；

(2)系缆力减小效果显著；

(3)缓冲耗能装置易制作成定型产品，便于在行业内推广应用。

附图说明

附图1为不采用本发明船舶系缆方式示意图；

附图2为采用本发明船舶系缆方式示意图；

附图3为缓冲耗能装置正视图和侧视图；

附图4为缓冲耗能装置纵剖面图；

附图5为缓冲耗能装置横剖面图。

具体实施方式

下面结合附图给出实施例并对本发明进行具体描述。

实施例一

某单级大型船闸，闸室尺度为280m×34m×5.6m(长×宽×门槛水深)，设计通航船舶3000吨级，设计最大系缆力6吨。随着船舶大型化发展，过闸船舶的吨位显著增大，船舶的载货吨位普遍达到5000吨～6000吨，船舶系缆采用直径为20mm、弹性模量E₁为2×10⁸N/m²的钢缆绳。船舶系缆桩与浮式系船柱的柱体距离L为2m，船舶的动能W为400N·m。

当船舶不采用本发明进行系缆时，附图1为系缆方式示意图，通过钢缆绳5将浮式系船柱1上方的柱体3与船舶2上的系缆桩4直接相连系紧，钢缆绳的抗拉刚度k＝E₁/L＝2×10⁸/2＝1×10⁸N/m，根据W＝F²/k，得到在动能作用下船舶系缆力F＝2×10⁵N，即船舶系缆力为20t。

当采用本发明船舶系缆力减小方法时，附图2为系缆方式示意图，在不改变目前浮式系船柱1情况下，在船舶钢缆绳5与浮式系船柱1的柱体3间增加缓冲耗能装置6，缓冲耗能装置6的一端挂于浮式系船柱1的柱体3，当船舶2停泊系缆时，船舶钢缆绳5挂于缓冲耗能装置6的另一端，船舶2与浮式系船柱1之间为钢缆绳5与缓冲耗能装置6的串联系统。船舶2动能W与系缆力F和串联系统抗拉刚度k’的关系为W＝F²/k’，在船舶动能一定的情况下，当串联系统的抗拉刚度k’小于原钢缆绳的抗拉刚度k，即可降低系缆力F。

串联系统的铜缆绳长度为L₁，弹性模量为E₂，缓冲耗能装置的长度为L₂，弹性模量为E₂，原钢缆绳的长度L＝L₁+L₂。原钢缆绳的抗拉刚度k＝E₁/L＝E₁/(L₁+L₂)，串联系统的抗拉刚度k’＝k₁·k₂/(k₁+k₂)＝E₁/(L₁+(E₁/E₂)L₂)，欲使k’小于k，则需要E₂小于E₁。

通过以下设计实现缓冲耗能装置的弹性模量小于钢缆绳的弹性模量：

附图3为缓冲耗能装置6的正视图和侧视图，附图4为缓冲耗能装置6的纵剖面和横剖面图。缓冲耗能装置6由缆圈7、套筒8、弹簧9、拉杆10、挂钩11组成，缆圈7圈在浮式系船柱1的柱体3上，缆圈7一端与套筒8相连，拉杆10穿过弹簧9中心，共同置于套筒8内部，拉杆10的一端为压板12，另一端与挂钩11相连，挂钩11用于系船舶钢缆绳5。

串联系统的钢缆绳长度L₁为1m，其抗拉刚度k₁＝E₁/L₁＝2×10⁸N/m，缓冲耗能装置的长度L₂为1m，弹性模量E₂即弹簧9的弹性模量，取1×10⁷N/m²，缓冲耗能装置的抗拉刚度k₂＝E₂/L₂＝1×10⁷N/m，则串联系统的抗拉刚度k’＝k₁·k₂/(k₁+k₂)＝9.5×10⁶N/m。根据W＝F²/k’，得到在动能作用下船舶系缆力F＝6.2×10⁴N，即船舶系缆力为6.2t。

可见，采用本发明技术后，船舶系缆力从20t降低至6.2t，降幅约70％，系缆力减小效果显著。

Claims (2)

1.一种船舶系缆力减小方法，其特征在于，在不改变目前浮式系船柱情况下，在船舶钢缆绳与浮式系船柱的柱体间增加缓冲耗能装置，缓冲耗能装置的一端挂于浮式系船柱的柱体，当船舶停泊系缆时，船舶钢缆绳挂于缓冲耗能装置的另一端，船舶与浮式系船柱之间为钢缆绳与缓冲耗能装置的串联系统，船舶动能W与系缆力F和串联系统抗拉刚度k’的关系为W＝F²/k’，在船舶动能一定的情况下，当串联系统的抗拉刚度k’小于原钢缆绳的抗拉刚度k，即可减小系缆力F，通过以下设计实现串联系统的抗拉刚度k’小于原钢缆绳的抗拉刚度k：

(1)串联系统的钢缆绳抗拉刚度为k₁，k₁＝E₁/L₁，其中，E₁为钢缆绳的弹性模量，L₁为钢缆绳的长度，缓冲耗能装置的抗拉刚度为k₂，k₂＝E₂/L₂，其中，E₂为缓冲耗能装置的弹性模量，L₂为缓冲耗能装置的长度；

(2)原钢缆绳的长度为L，L＝L₁+L₂，原钢缆绳的抗拉刚度k＝E₁/L＝E₁/(L₁+L₂)；

(3)钢缆绳与缓冲耗能装置串联后，串联系统的抗拉刚度k’＝k₁·k₂/(k₁+k₂)＝E₁/(L₁+(E₁/E₂)·L₂)；

(4)当E₁等于E₂，即缓冲耗能装置仍为钢缆绳时，k’与k相等，系缆力无法减小，只要E₂小于E₁，则k’小于k，系缆力减小。

2.根据权利要求1所述的一种船舶系缆力减小方法，其特征在于：所述的缓冲耗能装置通过以下设计实现缓冲耗能装置的弹性模量E₂小于钢缆绳的弹性模量E₁：

(1)缓冲耗能装置由缆圈、套筒、弹簧、拉杆、挂钩组成，缆圈圈在浮式系船柱的柱体上，缆圈一端与套筒相连，拉杆穿过弹簧中心，共同置于套筒内部，拉杆的一端为压板，另一端与挂钩相连，挂钩用于系船舶钢缆绳；

(2)当钢缆绳不受力时，拉杆和弹簧均处于自由状态，当钢缆绳受拉，则拉杆受力，拉杆一端的压板随拉杆一起压缩弹簧，弹簧发生位移做功，吸收耗散船舶的动能；

(3)弹簧的弹性模量即为缓冲耗能装置的弹性模量，选择弹性模量小于钢缆绳的弹性模量的弹簧，即达到减小钢缆绳与缓冲耗能装置串联系统的抗拉刚度、减小系缆力的目的。