摩阻型攔船設(shè)施研究與應(yīng)用

文/劉良玉 周和平 徐 銘 郭 軍

水利工程上游引河設(shè)置可靠的攔船設(shè)施，是預(yù)防船舶撞擊工程避免發(fā)生安全事故的有效措施。20世紀(jì)60年代，江蘇部分水閘設(shè)置了直線形攔船設(shè)施，由錨墩、鋼絲繩、浮桶、拖錨組成。錨墩共兩個(gè)，分設(shè)于兩岸，鋼絲繩固定在錨墩上，河道中間設(shè)浮桶架設(shè)鋼絲繩，浮桶下連拖錨（見(jiàn)圖1），能攔截小型船舶。進(jìn)入八九十年代，水上交通快速發(fā)展，船舶多，船體大，船舶撞毀攔船設(shè)施事件時(shí)有發(fā)生。針對(duì)直線形攔船設(shè)施抗撞能力不足的問(wèn)題，21世紀(jì)初出現(xiàn)折線形攔船設(shè)施，它在水面呈“>—<”形布置（見(jiàn)圖2），相對(duì)于直線形攔船設(shè)施，增加了兩個(gè)副錨墩和兩根副索，主索加長(zhǎng)，副索將主索向上游方向牽引、固定。折線形攔船設(shè)施通過(guò)副索破斷和拖錨作用消減船舶動(dòng)能并克服水流力，最終主索承受沖擊攔截船舶，抗撞能力較強(qiáng)。然而，常規(guī)折線形攔船設(shè)施在高流速河道上難以攔截大噸位船舶。攔截能力較強(qiáng)的均采用了液壓系統(tǒng)，造價(jià)較高。本文介紹的摩阻型攔船設(shè)施結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低，能攔截千噸級(jí)船舶。

一、基本組成

摩阻型攔船設(shè)施由摩阻機(jī)、基礎(chǔ)、鋼絲繩和浮桶組成，在水面呈直線形布置（見(jiàn)圖3）。兩臺(tái)摩阻機(jī)安裝在兩岸鋼筋混凝土基礎(chǔ)上，鋼絲繩架設(shè)在浮桶上。它與折線形攔船設(shè)施的主要區(qū)別在于：無(wú)拖錨與副索，采用摩阻機(jī)產(chǎn)生恒定摩阻力做功消減船舶動(dòng)能，抵御水流力。

摩阻機(jī)由機(jī)架、繩鼓、鋼絲繩、摩阻裝置、傳動(dòng)裝置以及滑輪組等組成（見(jiàn)圖4）。其中摩阻裝置用于產(chǎn)生摩阻力，繩鼓用于收放鋼絲繩，傳動(dòng)裝置用于將摩阻力放大后傳遞給鋼絲繩，滑輪組用于調(diào)整鋼絲繩方向。

圖1 直線形攔船設(shè)施平面布置示意圖

圖2 折線形攔船設(shè)施平面布置示意圖

圖3 摩阻型攔船設(shè)施平面布置示意圖

二、動(dòng)力學(xué)原理

摩阻型攔船設(shè)施的工作原理：當(dāng)船舶撞擊攔船設(shè)施時(shí)，鋼絲繩張緊、延伸，當(dāng)其內(nèi)力達(dá)到設(shè)計(jì)值，摩阻機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)釋放鋼絲繩，同時(shí)摩阻裝置產(chǎn)生摩阻力做功消耗船舶動(dòng)能并克服水流力，船舶逐漸減速并最終停止，鋼絲繩呈V形攔截船舶（見(jiàn)圖5）。

摩阻機(jī)原理：船舶撞擊攔船設(shè)施時(shí)，鋼絲繩對(duì)摩阻機(jī)繩鼓切線方向產(chǎn)生拉力，通過(guò)齒輪組（傳動(dòng)裝置）傳動(dòng)，摩阻裝置的閘瓦與剎鼓間產(chǎn)生摩擦力。若撞擊力較小，鋼絲繩內(nèi)力未達(dá)到設(shè)計(jì)值，那么該摩擦力為靜摩擦力，起到阻止摩阻機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的作用；若撞擊力較大，鋼絲繩內(nèi)力達(dá)到設(shè)計(jì)值，那么，摩阻機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，該摩擦力為滑動(dòng)摩擦力，傳遞給鋼絲繩，起到攔阻船舶作用。

摩阻機(jī)的滑動(dòng)摩擦力由設(shè)計(jì)確定，通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧壓力使其達(dá)到設(shè)計(jì)值，它與鋼絲繩內(nèi)力呈增函數(shù)關(guān)系，由于該滑動(dòng)摩擦力相對(duì)穩(wěn)定，所以鋼絲繩內(nèi)力基本恒定。

三、摩阻機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

①合理確定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)地形地貌、河道內(nèi)船舶狀況、安全要求、計(jì)劃投資等情況，確定計(jì)劃攔截船舶的噸位。

②適當(dāng)考慮安全系數(shù)。有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼絲繩安全系數(shù)要求較高，但作為攔船設(shè)施，不必考慮過(guò)高的安全系數(shù)，鋼絲繩安全系數(shù)可取2.0左右。

③同時(shí)滿足兩個(gè)條件。一是摩阻機(jī)鋼絲繩釋放完畢前，摩阻力做功能夠克服“船舶動(dòng)能+水流力做功”；二是摩阻機(jī)鋼絲繩釋放完畢時(shí)，鋼絲繩設(shè)計(jì)張力在逆水流向的合力不小于船舶與浮桶受到的最大水流力的和。

④謹(jǐn)慎確定摩擦系數(shù)。摩擦器的摩擦系數(shù)應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，無(wú)條件實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的上限，避免因摩擦系數(shù)選擇偏小造成鋼絲繩過(guò)載。

四、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

摩阻型攔船設(shè)施利用摩阻機(jī)做功漸漸消耗“船舶動(dòng)能+水流力做功”，最終鋼絲繩在水面呈V形攔阻船舶，此工作原理成就了其強(qiáng)大的攔截能力。船舶撞擊攔船設(shè)施后，摩阻機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼絲繩受到的張力基本恒定，鋼絲繩在逆水流向的合力逐漸增大，對(duì)船舶漸進(jìn)加力，沖擊較小，能降低沉船風(fēng)險(xiǎn)；從船舶撞擊攔船設(shè)施至船舶被攔截，歷時(shí)數(shù)分鐘之久，有利于安全救援；解除危險(xiǎn)后，船舶駛離，摩阻機(jī)收回鋼絲繩，回到待機(jī)狀態(tài)，攔船設(shè)施無(wú)損傷。該設(shè)施結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鋼絲繩直徑較小，錨墩不大，造價(jià)較低。

圖4 摩阻機(jī)構(gòu)造與安裝圖

圖5 摩阻型攔船設(shè)施呈V 形攔截船舶

摩阻型攔船設(shè)施適用于各種流速、不同寬度河道，可在高流速河道上推廣應(yīng)用，對(duì)維護(hù)工程與航運(yùn)安全具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。