军事装备水路集装箱运输系固有效性校核方法研究

第19卷 第9期 中 国 水 运 Vol.19 No.9 2019年 9月 China Water Transport September 2019 军事装备水路集装箱运输系固有效性校核方法研究 袁 沐，刘宝新 摘 要：采用船舶耐波性理论，对集装箱船的运动状态和运动参数进行了计算分析，借鉴挪威船级社的有关规范，结合集装箱装运军事装备的实际，推导出航运过程中军事装备所受惯性力、系固力的计算公式，提出了装备系固有效性的校核方法并进行计算验证。 关键词：军事装备；集装箱；水路军事运输；系固 中图分类号：U695.26 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）09-0021-04 近年来，随着我国战略利益的不断拓展，利用集装箱装运军事装备实施跨海或跨洋运输需求不断增多，军事装备将逐渐成为集装箱运输的一大货源。由于海上运输受风、浪、流等自然因素影响较大，集装箱船会产生剧烈的摇摆和振荡，对军事装备的系固要求高。目前，军事装备水路集装箱运输还是一件新生事物，国内外还没有制定集装箱装运军事装备的系固规范，迫切需要采用船舶原理的基本知识，从集装箱船运动状态入手，分析计算装备受到的惯性力，提出相应的系固校核方法，以确保装备运输安全。 一、集装箱船运动状态分析 集装箱船海上航行的运动状态十分复杂，会发生六自由度的运动，分别是纵荡、横荡、垂荡以及纵摇、横摇、首摇运动（如图1），从而产生相应的惯性力，如装备捆绑加固不当，将会导致装备产生位移。在集装箱船的6个自由度中，对装备捆绑加固影响最大的运动是横摇、纵摇，其次是垂荡。集装箱船运动状态分析，重点就是确定纵摇、横摇的运动周期和最大运动幅值，它们与装备所受惯性力的大小密切相关。 [1]12 （1.陆军军事交通学院 研究生队，天津 300161；2.陆军军事交通学院 联合投送系，天津 300161） 集装箱船横摇周期Tθ的计算公式： T2CB/GM （s） （1） 式中：C为横摇系数，C=0.373+0.023B/d-0.043 Lbp/100；Lbp为集装箱船的两垂线间的长；B为集装箱船的型宽；d为集装箱船的平均型吃水；GM为集装箱船的初稳性高度，可取GM=0.07B。 集装箱船最大横倾角m计算公式： m109.3kX1X2rs （rad） （2）式中：k为与船舭龙骨或舭部形状有关的系数；X1为与集装箱船宽度吃水比有关的系数；X2为与集装箱船方形系数有关的系数；r为系数，r=0.73+0.60×OG/d；OG为集装箱船重心到水线面的距离；S为集装箱船横摇周期有关的系数。系数X1、X2、k、S可查阅文献[3]确定。 2．集装箱船纵摇周期和最大纵摇角 集装箱船纵摇是集装箱船沿横轴Y轴产生的回转振荡运动，纵摇角和纵摇周期的计算方法可以根据海浪波谱和集装箱船耐波性理论估算得到。 集装箱船纵摇周期计算公式为： T2.01(0.77Cb0.26)(0.92d0.44B) （s） （3） 式中：Cb为集装箱船在吃水d时的方形系数。 最大纵摇角m的计算公式为： mK1K20 （rad） （4）式中：参数0可根据船长和航速确定；系数K1与船的 图1 集装箱船的运动情况 1．集装箱船横摇周期和最大横摇角 集装箱船横摇是集装箱船沿纵轴X轴产生的左右摇摆运动。对集装箱船横摇周期和最大横摇角的计算，可采用国际海事组织IMO749（18）决议［2］中推荐的计算方法。 收稿日期：2019-03-17 作者简介：袁 沐（1995-），男，陆军军事交通学院研究生队，研究生，研究方向为海上军事运输。 刘宝新（1966-），男，陆军军事交通学院联合投送系，教授，博士，研究方向为海上军事运输。 方形系数Cb有关；K2与船的长宽比L/B有关。0、K1、K2可查阅文献[3]确定，未在表中列出的值可采用直线插入法计算求得。 二、装备的受力分析 集装箱船海上航行过程中，对装备稳定性影响最大的是各种惯性力。首先需要确定加速度的计算，才能计算各种惯 22 中 国 水 运 第19卷 性力的大小。 1．集装箱船加速度计算 本文参照挪威船级社提供的加速度计算方法，对集装箱装运军事装备的稳定性进行校核。 （1） 集装箱船位移加速度的计算 根据集装箱船在海上运动形式，可将集装箱船的加速度分为位移加速度和摇摆加速度。 集装箱船的纵向位移加速度x： ax0.2g0a0Cb （m/s2） （5） 集装箱船的横向位移加速度y： ay0.3g0a0 （m/s2） （6） 集装箱船的垂向位移加速度z： az0.7g0a0/Cb （m/s2） （7） 式中：g0为重力加速度；α0为集装箱船的通用加速度参数其计算公式为： a203CW/LbpCvVLbp （m/s） （8） V为集装箱船航速，kn；系数Cv： Cmin0.2,L （9） Vbp/50 Cw为波浪系数，可按下式计算确定： 0.0792LbpLbp100m10.75300L3bp2300mCW100100mLbp10.75300mLbp350m（10） 3L210.75bp350L100bp350m（2） 集装箱船摇摆加速度的计算 摇摆加速度是由集装箱船的纵摇、横摇、首摇运动引起的，是角加速度。 集装箱船横摇加速度αry： a22rym2/TZZ0 （m/s） （11） 式中：Z为装备重心距基线的垂向高度；Z0为集装箱船设定的摇摆重心距集装箱船基线的垂向距离，Z0=min｛D/2，（D/4+ds/2）｝；D为集装箱船型深，m；ds—集装箱船夏季满载吃水，m。 集装箱船横摇加速度的垂向分量αrZ： arz2m(2/T)Y （m/s2） （12） 式中：Y为装备重心距集装箱船中线面的横向距离，m。 集装箱船纵摇加速度αpx： apxm2/T2ZZ0 （m/s2） （13） 集装箱船纵摇加速度的垂向分量αpz： apzm2/T2X0.05Lbp （ m/s2） （14） 式中：X为装备重心距集装箱船中站面的纵向距离。 （3）集装箱船的综合加速度 集装箱船的综合加速度是指集装箱船的位移加速度、摇摆加速度以及重力加速度在3个不同坐标轴上的分量进行合成的结果。 集装箱船横向综合加速度αt： ata2yg0sin2mary 2 （m/s） （15） 集装箱船纵向综合加速度αl： a22la2xg0sinmapx （m/s） （16） 集装箱船垂向综合加速度αv： a22va2z a2rz apz （m/s） （17） 2．装备的受力计算 在系固计算时，可将装备的力分为促使装备移动的力以及保持装备稳定的力两种。装备的受力情况如图2所示。其中，促使装备移动的力主要是惯性力，保持装备稳定的力是系固器材提供的系固力以及摩擦力。 （1）装备的移动力 横向移动力：FNTMat（ KN） （18） 纵向移动力：FNLMal （KN） （19） 垂向移动力：FNVMav （KN） （20） 式中：M为装备的质量，103kg。 图2 装备的受力分析 （2）系索的约束力 系索的横向约束力： FLTFLb/s （KN） （21） 系索的纵向约束力： FLLFLa/s （KN） （22） 系索的垂向约束力： FLVFLh/s （KN） （23） 第9期 袁 沐等：军事装备水路集装箱运输系固有效性校核方法研究 23 式中：s为系索的长度，s2=a2+b2+h2；a、b、h分别表示系索的纵、横向以及垂向长度，m；FL为对系索要求的有效负荷量，t。 三、装备系固有效性的校核 在通常情况下，装备系固的目的在于防止装备发生水平横移、纵移以及横向倾倒。在大多数情况下，其纵向倾倒的可能性极小。但从安全角度出发，本文对纵向倾倒也进行了校核。 1．装备的横向移动校核 为防止装备产生横向移动，要求装备在横向上所受的移动力FX，应当小于等于阻止装备移动的横向约束力[FX]，即FX≤[FX]。 在装备系固时通常使用同一种系固器材，以保证其受力的均衡，因此假设装备采用的系固道数为n，其系固角度均相同。根据装备的受力情况，为防止装备产生横向移动，则有： FNTnFLTuFNVnFLV （24） 式中：u为装备与集装箱箱底板间的摩擦系数。集装箱底板大都使用木材，也有少量使用钢板，摩擦系数u取值为：钢～木材、橡胶取0.3；钢～钢（干燥状态）取0.1，钢～钢（潮湿状态）取0。 由公式21、23、24联立，可求得防止装备横向移动所需的系固力FL： FLSnbunhFNTuFNV （25） FL1则为防止装备产生横向移动所需的最小系固力。 令FSL1nbunhFNTuFNV，FL1则为防止装备横向移动所需的最小系固力。 2．装备的纵向移动校核 为防止装备产生纵向移动，要求装备在纵向上所受的移动力Fy应当小于等于阻止装备移动的纵向约束力[Fy]，即Fy≤[Fy]。根据装备受力的情况，为防止装备产生纵向移动，则有： FNLnFLLuFNVnFLV （26） 将公式22、23、26三式联立，可求得防止装备产生纵向移动所需的系固力FL： FLSnbunhFNLuFNV （27） 令FSL2nbunhFNLuFNV，FL2则为防止装备产生纵向移动所需的最小系固力。 3．装备的横倾校核 为防止装备产生横倾，要求装备的横向倾覆力矩My应当小于等于防止装备横向倾覆的约束力矩[My]，即My≤[My]。根据装备的受力情况，为防止装备产生横倾，则有： FH2FB1NTNV2nFLThnFLVB1 （28） 式中：H为装备高度，其重心距集装箱底板高度约为H/2，m；B1为装备的横向支撑宽度，对轮式车辆装备而言，即为轮距，m。 将公式21、23、28三式联立，可求得防止装备产生横倾所需的系固力FL： FSnbhnhBFNTHFB1LNV （29） 122令FSL3nbhnhBFHBNTFNV1，FL3则为防止122装备产生横倾所需的最小系固力。 4．装备的纵倾校核 为防止装备产生纵倾，要求装备的纵向倾覆力矩Mx应当小于等于防止装备横向倾覆的约束力矩[Mx]，即Mx≤[Mx]。根据装备的受力情况，为防止装备产生纵倾，则有： FNLH2FL1NV2nFLLhnFLVL1 （30） 式中：L1为装备的纵向支撑宽度，对于轮式车辆装备即为轴距。 将公式22、23、30三式联立，可求得为防止装备产生纵倾所需的系固力FL： FSnbhnhLFHL1LNLFNV （31） 122令FSL4nbhnhLFNLHFLNV1，FL4则为防止122装备产生纵倾所需的最小系固力。 综合上述四个方面的校核结果，则要求系索的最大系固负荷MSL为： MSL=SF·max{FL1，FL2，FL3，FL4} （32） 式中：SF为安全系数，一般取1.35［4］。 最后，还应注意校核集装箱系环的最大负荷F系环。如果F系环≥MSL，则能够确保运输安全。反之，则应增加系固道数，来降低对集装箱系环的拉力。 四、应用举例 在某次军援运输中，有8台车辆装备需要运送至我友好国家。综合考虑航线运输条件，拟选用框架集装箱装载车辆装备通过集装箱船进行运输。可供选用的集装箱船为1,100TEU中小型集装箱船，其主要尺度与参数如表1所示；选取8台车辆装备中尺寸、重量最大的装备（其性能参数如表2所示）［5］作为校核对象，采用4条尼龙加固带（最大系固负荷为5t），以车辆装备前部拉钩和尾部作为系固点对其进行交叉系固。设定系固设备参数，拟采用一道尼龙加固带，MSL为5×9.81kN，系索纵向长度α为0.5m，系索横向长为b为1.2m，系索垂向高度h为0.88m，系索长度S为1.6m。 24 中 国 水 运 第19卷 表1 集装箱船主要尺度及参数 参数 数值 垂线间长 Lbp（m） 140.30 型宽 B（m） 23.25 型深 D（m） 11.50 夏季吃水 ds（m） 7.30 航速 V（kn） 19.60 方形 系数Cb 0.58 综合上述结果：要求系索的最大系固负荷为37.03kN，小于尼龙加固带的最大系固负49.05kN。 集装箱系环可承受的最大负荷F系环一般为4t，即表2 车辆装备基本参数 装备重量M（t） 9 装备纵向距集装箱船中站面的距离X（m） 装备横向距集装箱船中线面的距离Y（m） 40 装备支撑 长度L1（m） 装备支撑 宽度B1（m） 摩擦系数μ 5.78 39.24kN。可见，装备系固所要求的最大系固负荷37.03kN，也小于集装箱系环的最大负荷F系环。因此，可判断装备的系固方案能够满足运输安全要求。 五、结语 做好集装箱装运军事装备的系固工作，是确保水路军事运输安全的前提和保证。当前，集装箱水路军事运输开展还不普及，利用集装箱装运军事装备更是一件新生事物，军事装备系固校核方面还存在空白。本文对集装箱装运军事装备时的系固有效性进行了初步探索，对于做好军事装备水路集装箱的系固工作具有较好的参考作用。 参考文献 [1] 冯铁城等.集装箱船操纵与摇荡[M].北京：国防工业出版社，19. 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[5] 总后勤部.GJB3303.2-2004铁路军事运输装载标准陆军装备物资—第2部分：增补1[S].2004.装备高度H（m） 2.8 8 2 0.3 装备重心高H/2（m）1.4 装备距集装箱船基线高Z（m） 15.1 根据上述系固原理和方法，下面对该车辆装备的系固有效性进行校核，其步骤如下： （1）集装箱船通用加速度计算。计算得Cw=8.73，Cv=0.20，α0=0.52。 （2）集装箱船摇摆周期和最大倾角的计算。Tθ=14.21， θm=0.45（25.75。），Tφ=6.96，φm=0.18（10.31。）。 （3）集装箱船位移加速度和摇摆加速度计算。αx=0.78，αy=1.53，αz=4.69，αry=0.82，αrz=0.70，αpx=1.22，αpZ=6.60。 （4）集装箱船组合加速度的计算。αt=5.30，αl=2.90，αv=8.37。 （5）装备横、纵和垂向移动力计算。FNT=47.70，FNL=26.10，FNV=75.35。 （6）装备系固有效性校核。FL1=27.43kN，FL2=7.32kN，FL3=-4.86kN，FL4=-52.47kN，SF=1.35，MSL=37.03 kN。FL为负值表示对装备的压力。显然，在本例中对仅能承受拉力的尼龙加固带而言，应取0。 （上接第9页） 本文基于有限元法对灯光罩网渔船撑杆强度进行分析，计算撑杆在4种工况下的轴应力和切应力，根据规范进行校核，同时对撑杆在工况3、工况4下的起吊能力进行分析，得到以下结论： 撑杆在工况1和工况2下的强度校核均符合规范要求，即使在7级风况下圆管型撑杆结构能达到5t设计载重，并且具有10%~30%的承载余量。 撑杆受外力作用发生扰动时，考虑撑杆前端和后端单根绳受力的极限状态，撑杆在工况3下最大起吊载重为1.8t，起吊能力较工况1、2下降较大，在工况4下应力校核不合格，不具备起吊能力，因此，实际捕捞作业中应避免前端单根钢丝绳承重。 参考文献 [1] Naresh Chauhan，P.M. Bhatt. Improving the Durability of the E.O.T. 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