內河航道船舶標準化系列化研究

張 云，鄒學義，汪 濤，張 麗

(江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

由于我國內陸水系眾多，內河航運是現代交通運輸體系的重要組成部分。隨著國家對發(fā)展水運經濟帶的重視，航道建設與管理正朝著標準化、現代化、數字化的方向發(fā)展[1]。

江西省內河航道發(fā)展條件優(yōu)越，全航道通航里程達5 716 km(含長江江西省段)，位居全國第八位。贛江、信江已列入國家水運主通道，計896 km，建設暢通、高效、平安、綠色的江西內河現代化水運體系勢在必行。為策應《關于加快水運改革發(fā)展的實施意見》關于“啟動編制全省航道工作船艇、航標等裝備計劃和建設標準指南，統(tǒng)籌推進工作船艇、航標等裝備標準化、現代化”部署，江西省船型研究工作依托信江高等級航道整治工程項目建設，進行《航道工作用艇船型標準化系列化研究》課題研究，為航道工作船艇建設標準指南提供技術支持。江西省內河船型標準化工作需要根據現有航道通航能力、本地港口、航道對船舶的限制(主要是橋梁通航凈空等)， 結合江西省內河航道建設標準，從江西省航道日常維護管理角度和現有船型出發(fā)，分別對航道巡查艇、航標工作船、航道測量船、航道工作躉船和船閘工作船等5種主要船型的總體配備、主尺度、結構設計及優(yōu)化、新材料的應用、設備配備及智能化5個方面進行標準化、系列化研究，并提出切實可行、滿足需求的標準化、系列化船型。

1 航道工作用艇項目前期研究

目前，江西省內河航道養(yǎng)護和管理的薄弱環(huán)節(jié)之一就是大部分航道管理養(yǎng)護工作船艇配備由所在單位或部門根據自身具體情況并結合所在地的經濟發(fā)展水平進行設計和建造，從而造成船型類型雜亂情況。主要存在的問題如下：

(1)船舶類型偏多，同類型的船舶型寬、型深等也變化不一。

(2)同類型船舶的設計性能存在較大差異，如穩(wěn)性、航速、續(xù)航力等有很大不同。

(3)所在地的船舶建造能力、主要機電設備配備及性能也存在較大的差異，嚴重制約了航道船舶日常維護工作的順利開展。

借鑒近年來兄弟省份航道、港航及海事部門研發(fā)的工作用艇標準化、系列化研究成果和內河養(yǎng)護、管理船艇積累的豐富經驗，結合江西省內河航道建設標準，本文從航道日常維護管理角度和現有船型出發(fā)，對航道工作用艇主要船型開展江西航道工作用艇標準化系列化技術研究。

2 航道工作用艇總體配備

2.1 船舶著色

(1)水線以上的主船體、上層建筑、桅桿、旗桿、通風筒等顏色為白色。

(2)主甲板以上(包括主甲板)的室外甲板顏色為墨綠色。

(3)護舷材、錨機、帶纜樁、錨穴、錨和煙囪顏色均為黑色，起重設備顏色為桔黃色(特種設備和特殊金屬材料除外)。

2.2 船舶的命名

(1)船舶的命名規(guī)則

航道工作用艇船舶類型主要分為：航道巡查艇、航標工作船、航道測量船、航道工作躉船、船閘工作船等。根據不同的船舶類型，船名分別命名為：贛航巡×××、贛航標×××、贛航測×××、贛航躉×××、贛船閘×××。

船名由3個漢字加3個阿拉伯數字編號組成。編號首位數字分別為：0省級中心、1贛中航道中心、2贛東航道中心、3贛南航道中心、4贛西航道中心、5贛北航道中心、6贛江船閘中心、7信江船閘中心、8航道工程局、9水上救助服務中心。后兩位數字為各單位同類船舶流水編號。

(2)船首兩舷標明的船名具體尺寸和位置視船舶的大小、協(xié)調為宜。中文字體為楷體加粗，數字字體為Times New Roman，顏色為黑色。

2.3 船型分類及用途

(1)航道巡查艇主要用于航道發(fā)生擁堵、妨礙船舶航行時的應急搶通，其功能艙室齊全、技術性能優(yōu)良。

(2)航標工作船主要執(zhí)行航標設置、巡檢、起吊、拖帶、維修保養(yǎng)任務。航標工作船設有1臺伸縮回轉起重機，用于起吊航標及其他設施；艏部設有寬闊的甲板，用來儲放大型浮標，滿足航標巡查、維護功能。航標工作船應操作靈活、穩(wěn)性好，并有足夠的操作空間，便于航標起吊及維護。

(3)航道測量船搭載專用測量、監(jiān)視設備，擔負航道巡視、監(jiān)控，水下地形及障礙物探測等任務。航道測量船配有多波束測量設備、側掃設備、無人測量艇等測量設備。無人測量艇攜帶單頻測深儀可對河道邊坡進行測量，與其他測量設備數據進行整合，可對整個航道進行全覆蓋測量。

(4)航道工作躉船是航道日常管理的工作、休息場所，用于船舶?？浚蔷S護設備、設施上下的接駁平臺。

(5)船閘工作船應具有較大的頂推和拖帶能力、良好的操縱性，以提高船閘通過能力和船閘排檔能力，同時兼作船閘通航日常管理的新型排檔船。

2.4 江西航道船型配置

根據江西省航道工作用艇的配置需求，針對5種航道工作用艇設計一系列規(guī)格的工作用艇。5種船型對應的設計參數(船長)見表1。

表1 5種航道工作用艇參數(船長) 單位：m

江西省省級航道事務中心、片區(qū)航道事務中心和航道所船型配置具體如下：

(1)省級航道事務中心配備44.0 m航道巡查艇、27.0 m航道測量船、60.0 m航道工作躉船。

(2)片區(qū)航道事務中心配備34.0 m航道巡查艇、無人測量船、40.0 m航道工作躉船。

(3)航道所配備13.8 m航道巡查艇、27.0 m航標工作船(350 kW)、27.0 m航標工作船(220 kW)或22.0 m航標工作船(180 kW)(根據需要選配)、40.0 m航道工作躉船或30.0 m航道工作躉船(根據需要選配)。

船閘工作船主要用于船閘通航中心，22.0 m航標工作船(180 kW)主要用于贛江上游或其他支流水域。

3 船舶主尺度與力學性能及結構優(yōu)化分析

3.1 船舶主尺度

根據江西的通航環(huán)境和船舶交通流的分布情況，以及航道船舶的現狀及船型的發(fā)展趨勢，利用三維建模軟件搭建船舶數字模型，并進行數值計算，得出特定航道所需的標準化主尺度。然后通過航道條件分析結果，以航道現狀及航行船舶特點為基礎，確定適合不同航道的船舶主尺度標準。

本項目利用MAXSURF軟件進行三維船體建模,快速精確地設計并優(yōu)化出符合江西省航道要求的各種主船體、上層建筑和附體型線。通過控制船舶的船體形狀，船體外形能夠更加平整、優(yōu)化，符合現實需求。

3.2 船體結構設計

船舶的重量控制對船體的性能、載重量、航速均有至關重要的作用，為此在船舶設計中應盡量減輕船體重量以獲得較大載貨量和理想航速。在船舶的實際建造過程中也可以通過采用重量偏輕的新型材料來替代傳統(tǒng)鋼材。在進行船體結構設計的過程中，一方面需要應用先進的數字模型及力學分析軟件滿足船體結構強度要求，另一方面應該設計合理的典型結構型式，從而實現經濟效益最大化。

3.3 船體力學性能分析

目前，有限元建模分析軟件可對船體結構受力進行系統(tǒng)分析[2]。船舶的受力情況通過模型分析具有最直觀的判斷，對船體結構優(yōu)化并實現船體輕量化，達到節(jié)省造船材料、降低造船成本的目標具有深遠影響。有限元軟件對弦外水條件、船體的頂推狀態(tài)等進行分析并計算船體的各種工況，最后對各種工況下的船體結構進行受力分析，從而得出符合江西省航道具體要求和不同用途船舶的整體結構。

4 新型材料應用研究

4.1 鋁合金帶筋板

船用鋁合金是目前高速船常用的材料[3]，其優(yōu)點如下：

(1)重量輕。與普通鋼板相比，能有效降低重心高度。主機功率相同時速度更快。

(2)具有較好的耐腐蝕性。在使用過程中可以減少保養(yǎng)費用。

(3)加工成形性能好，易于進行切割、沖壓、成形等各種形式的加工。

(4)焊接性能好。鋁合金帶筋板是采用擠壓工藝制成的含有型材的板，焊接量少，變形小。

4.2 阻尼涂料

阻尼涂料結構包括阻尼層和約束層：阻尼層由聚氨酯、阻尼填料和助劑等組成；約束層由改性環(huán)氧樹脂、填料和助劑等組成[4]。涂層厚度為基材厚度的1.5～2.0倍(具體按設計要求而定)，其中阻尼層為1～2 mm。其特性如下：

(1)復合損耗因數高，減振降噪效果好。具體指標為：平均減振效率達49.2%，最大減振效率達94.9%，降噪可達8～20 dB。

(2)阻尼溫域寬，可在-40～160 ℃內使用。

(3)阻燃性好，氧指數達32。

(4)常溫反應固化，固化時間短。

(5)附著力強，按劃格法檢測達到最高級別0級標準，不龜裂、不脫落。

(6)無毒，可在水面艦艇艙室內使用。

(7)施工方便，適合于基材厚度大于5 mm的平面或復雜曲面部位，一次性施工厚度立面可達5～10 mm，地面可達10～20 mm。本品可以在清潔基材或各種底層涂料上涂裝。

(8)固化后不易老化，使用壽命大于20 a。

4.3 裝修材料

墻面及天花采用白色環(huán)保型船用復合巖棉板、鋁扣板進行裝修，裝修格調明亮、大方。室內地面采用深蘭色PVC卷材地板及防滑瓷磚，家具及辦公用品采用深色調。

4.4 護舷材料

護舷是碼頭或船舶邊緣使用的一種彈性緩沖裝置，主要功能是減緩或減輕船舶與碼頭或船舶之間在靠岸或系泊過程中的沖擊力，減小或消除對船舶、碼頭的損壞，對船舶、碼頭起到保護作用。

橡膠護舷根據結構分為2大類：實心橡膠護舷(非漂浮型)和漂浮型橡膠護舷。實心橡膠護舷(非漂浮型)是應用歷史較早、范圍廣的碼頭船舶防沖撞設備。標準化船型15 m船閘工作船護舷采用W型實心橡膠護舷。W型橡膠護舷吸收能量高，反力低，安裝維修方便，是船閘排檔理想的護舷品種。

5 船舶機電設備比選及智能化研究

5.1 船用主機選型

在整個船舶設計過程中，主機的選型尤為重要，關系到船舶的性能、性價比等[5]。主機選型需要考慮的因素眾多，如：額定功率、額定轉數、油耗、購買價格、重量與尺寸、壽命與維修成本等。此外，還需跟船型的匹配做得最佳。設計初期，面對眾多的機型，可以將購買價格(即初投資)、燃油消耗費用、后期維修費用等綜合起來進行經濟性分析，然后選擇出性價比好的主機。

船用發(fā)動機的性能很大程度上取決于推進器與發(fā)動機提供的功率之間的匹配程度。推進器的負載大小如能利于實現發(fā)動機的額定功率，將使發(fā)動機以其額定速度運行。如果推進器負載小于發(fā)動機的額定功率，發(fā)動機將超出上述工作范圍。若推進器負載大于發(fā)動機額定功率，不僅將導致發(fā)動機無法達到額定轉速，而且會導致發(fā)動機過載。

此外，主機生產公差對于主機性能的影響也不可忽視。正確的推進器尺寸能夠確保最佳船舶性能和最長壽命。選擇正確的推進器將有助于發(fā)動機實現全功率運行并提供預期的性能。

5.2 船用齒輪箱選型

船用齒輪箱是船舶動力與推進器之間的橋梁，其布置位置在船舶的原動機和螺旋槳之間。船用齒輪箱既要受到船舶的搖擺狀態(tài)影響，又要不斷受到海浪通過螺旋槳傳遞的不規(guī)則沖擊，所以其受力情況更加復雜。

(1)選型前提

在進行船用齒輪箱選型前，需確定與之匹配使用的柴油主機的型號和所設計的齒輪箱速比。

(2)選型步驟

①確定齒輪箱廠家

根據以往的齒輪箱使用經驗，選擇齒輪箱廠家。

②確定齒輪箱類型

首先根據柴油主機的額定功率和額定轉速計算其所需的額定傳遞扭矩力；然后根據計算的傳遞扭矩力和已知的減速比，查閱相關齒輪箱選型手冊。

③核算齒輪箱的輸入轉速、可承受推力

本步驟為校核檢驗，防止所選齒輪箱與柴油主機轉速不匹配或推力不足。

④確定齒輪箱的連接尺寸、安裝尺寸

根據柴油主機的飛輪、飛輪殼的連接尺寸確定齒輪箱的飛輪和罩殼型式。

⑤考慮船用齒輪箱的配置、旋向、外形等

對船用齒輪箱的配置情況進行分析，并考慮其旋向外形等因素。

5.3 船舶智能監(jiān)管系統(tǒng)研發(fā)

船舶事業(yè)應與現代接軌，運用現有的計算機技術、網絡技術、通信技術，構筑信息智能平臺，實現船舶安全控制，提升船舶管理水平，在監(jiān)控技術和監(jiān)管方式上不斷加強對船舶的管理，提高船舶設備的完好率與船舶安全控制力度，實現船舶成本控制與優(yōu)化運作[6]。為此，基于船岸一體化的船舶智能監(jiān)管系統(tǒng)的建設必將成為船舶管理的發(fā)展趨勢。

船舶智能監(jiān)管系統(tǒng)包含以下功能：

(1)實時查詢航道工作船基本信息、航行情況、停泊位置及航行軌跡。

(2)通過各類傳感器實時監(jiān)測船舶機艙設備運行狀況和參數。

(3)通過監(jiān)視、探測設備實時獲取航道工作船周邊環(huán)境情況，如航道水深等。

航道船舶智能監(jiān)管系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件設備組成，共分為3部分：船端系統(tǒng)、船岸通信系統(tǒng)、岸端系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過數據庫技術、數據采集與傳輸技術、系統(tǒng)集成等多種手段，實現船岸之間信息互動傳遞。系統(tǒng)獲取的信息保存在本地或者通過船岸通信系統(tǒng)發(fā)送到岸端，本地或岸端基于采集的數據進行分析，將分析結果應用到船舶航行控制、遠程監(jiān)控、避碰預警等方面。

6 結論

(1)通過對江西航道工作用艇標準化研究，提出航道巡查艇、航標工作船、航道測量船、航道工作躉船和船閘工作船等船型的總體配置，并進行船體結構優(yōu)化設計與分析。

(2)通過對船舶機電設備優(yōu)化與集成設計，對主流機電設備的性能和適用性進行對比分析，優(yōu)選出對本系列標準化船型在使用性能、環(huán)保性和維護保養(yǎng)等方面綜合性能優(yōu)良的機電設備配套方案。

(3)通過研發(fā)船舶智能監(jiān)管系統(tǒng)，運用計算機技術、網絡技術、通信技術(4G/5G等)，構筑信息智能平臺，加強信息技術在船舶管理中的應用，有效實現船舶安全控制、提升船舶管理水平，實現船舶成本控制與優(yōu)化運作。