惡劣海況下火車輪渡運(yùn)輸技術(shù)及運(yùn)動響應(yīng)試驗(yàn)和仿真研究

陸松，吳昊，馬玉坤

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081；2.中國人民解放軍96911部隊(duì)，北京 100011）

0 引言

我國目前有瓊州海峽火車輪渡和煙大火車輪渡2條跨?；疖囕喍删€正在運(yùn)營[1-3]，海上運(yùn)輸技術(shù)條件與陸上鐵路運(yùn)輸區(qū)別較大。海上運(yùn)輸過程中，影響運(yùn)行安全的主要因素包括海況條件、船舶的振動、搖擺和沖擊等。和陸上運(yùn)輸相比，海上運(yùn)輸由于船舶體積較大及浪涌周期的影響，上下、左右搖擺幅度相對較大，且搖擺頻率遠(yuǎn)小于鐵路車輛在鐵軌上搖擺頻率，故海上運(yùn)輸時垂向和橫向加速度值較縱向要大，3 個方向加速度最大值同時出現(xiàn)的概率比陸上鐵路運(yùn)輸時高很多[4-5]，因此，火車海上運(yùn)輸時貨物的運(yùn)輸技術(shù)要求與陸上運(yùn)輸時技術(shù)要求會有一定差別。

按照海事、港口等部門規(guī)定，瓊州海峽火車輪渡和煙大火車輪渡在氣象條件達(dá)到蒲氏8 級風(fēng)力的惡劣天氣條件時禁止航行。為研究跨?；疖囕喍珊匠讨杏龅脚及l(fā)的惡劣海況(蒲氏6～8 級風(fēng)，浪高3～4.5 m)時[6]，渡船實(shí)際運(yùn)輸技術(shù)參數(shù)及現(xiàn)有裝載加固方案是否滿足惡劣海況下航運(yùn)的安全要求，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司等單位先后組織多次跨瓊州海峽、渤?；疖囕喍蛇\(yùn)輸技術(shù)條件專項(xiàng)試驗(yàn)，測試跨?；疖囕喍稍谂R近8 級風(fēng)的惡劣海況下航行時加速度值、搖擺角等運(yùn)輸參數(shù)變化情況，并對試驗(yàn)航行中打舵操作時的渡船運(yùn)動響應(yīng)與惡劣海況下渡船運(yùn)動響應(yīng)仿真模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證惡劣海況渡船航行姿態(tài)仿真模擬可行性，為確定惡劣海況下火車輪渡運(yùn)輸技術(shù)條件提供支撐。

1 火車輪渡運(yùn)輸基本技術(shù)參數(shù)理論研究

1.1 理論計(jì)算

海上運(yùn)輸時，貨物的加速度等運(yùn)輸技術(shù)參數(shù)變化，主要是由于渡船的搖擺造成的，由于貨物單元的重量相對于整船來說所占比例很小，貨物本身物理特性及加固狀態(tài)對其加速度等運(yùn)輸技術(shù)參數(shù)影響較小，船上所裝貨物受到的慣性加速度值大小決定于其在渡船上的位置，并隨裝載位置距渡船搖擺中心的橫向距離變化而變化，通?？v、垂向加速度最大值位于船艏、船艉船舷最高位置，橫向加速度最大值位于船舯船舷處[7]?；疖囕喍刹捎玫亩纱嵌喙δ軡L裝船，一般底層設(shè)計(jì)為火車甲板，上層還有汽車甲板和旅客甲板，不同的裝載組合會影響船舶的穩(wěn)性高度，穩(wěn)性高度過大，渡船的搖擺角度及角加速度也大，會對運(yùn)輸貨物的加速度產(chǎn)生影響。

按國際海事組織在《貨物堆裝和系固安全操作規(guī)則(CSS CODE）》[8]中提出的海運(yùn)船舶基本加速度值的計(jì)算方法，綜合考慮渡船船長、船寬、初穩(wěn)性高度、航速等因素，對全年在無限航區(qū)航行的渡船，海上運(yùn)輸時基本加速度理論值如表1所示。

以瓊州海峽火車輪渡采用的“粵海鐵2 號”[9]渡船為例，船總長165.4 m，型寬22.6 m，排水量12 400 t，設(shè)計(jì)航速16 節(jié)，抗風(fēng)浪等級8 級，初穩(wěn)性高度2.086 m，其火車甲板相當(dāng)于表1中的中間甲板，按國際海事組織推薦算法，“粵海鐵2 號”渡船火車甲板基本加速度極值如表2所示。

表1 基本加速度理論值 m/s2Tab.1 Theoretical value of basic acceleration

表2 “粵海鐵2號”渡船火車甲板基本加速度極值 gTab.2 Extreme value of basic acceleration on train deck of “Yuehaitie No.2 Ferry”

1.2 船模型耐波性試驗(yàn)結(jié)果

渡船設(shè)計(jì)時為取得可靠的設(shè)計(jì)效果，需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行船模型耐波性試驗(yàn)，“粵海鐵2 號”渡船船模試驗(yàn)中，共布置6 個加速度傳感器，其中垂向3 個，分別位于船艏、船舯、船艉；縱向2 個，位于船艏、船艉；橫向1 個，位于船舯。整理船模型耐波性試驗(yàn)各向加速度和橫擺角最大值、位置及工況，得到船模耐波性試驗(yàn)最大加速度和橫擺角如表3所示。

表3 船模耐波性試驗(yàn)最大加速度和橫擺角Tab.3 Maximum acceleration and swing angle of ferry model in seakeeping test

2 惡劣海況條件下火車輪渡運(yùn)輸試驗(yàn)

2.1 瓊州海峽火車輪渡試驗(yàn)

試驗(yàn)用船為“粵海鐵2 號”渡船，火車甲板共4 股道，每股道有效長度145 m，可運(yùn)輸敞車、平車40 節(jié)或客車18 節(jié)。參試車輛共33 輛，運(yùn)輸鐵路常運(yùn)代表性的貨物如袋裝貨物、集重貨物、長大貨物、易碎貨物、集裝箱等。測試儀器布置在渡船火車甲板的船艏、船舯、船艉處，用于測試渡船惡劣海況下航行時不同位置處縱向、垂向、橫向的加速度值和縱向、垂向、橫向搖擺角度及搖擺周期等參數(shù)，并記錄試驗(yàn)時渡船裝載情況、氣象條件、海洋環(huán)境條件等參數(shù)。

試驗(yàn)按正常航行速度在瓊州海峽往返各一次，試驗(yàn)期間測得最大風(fēng)速為東北風(fēng)15.3 m/s，約7.5級。試驗(yàn)過程中記錄船體橫向加速度ax、垂向加速度az、縱向加速度ay、俯仰角β、橫擺角θ的測試結(jié)果，得到惡劣海況試驗(yàn)渡船各向加速度及搖擺角如圖1 所示，航行過程中橫向加速度變化范圍為-0.15～0.15 g，垂向加速度變化范圍-0.05～0.05 g，縱向加速度變化范圍-0.022～-0.012 g，船體俯仰角變化范圍-0.65～0.45°，船體橫擺角變化范圍-4.5～2.5°。惡劣海況試驗(yàn)船體各向加速度及搖擺角最大值如表4所示。

表4 惡劣海況試驗(yàn)船體各向加速度及搖擺角最大值Tab.4 Maximum acceleration and swing angle of the ferry in all directions during severe sea condition test

圖1 惡劣海況試驗(yàn)渡船各向加速度及搖擺角Fig.1 Acceleration and swing angle of the ferry in all directions during severe sea condition test

2.2 煙大火車輪渡試驗(yàn)

煙大火車輪渡試驗(yàn)用船為“中鐵渤海2 號”，船長182.6 m，寬24.8 m，滿載排水量17 548 t，適航風(fēng)級蒲氏8 級以下?；疖嚰装骞苍O(shè)5 股道，每條股道有效長140 m，一次可裝載鐵路貨車50輛，試驗(yàn)時裝載車輛41 輛。試驗(yàn)過程中最大風(fēng)力北風(fēng)6～7 級。試驗(yàn)過程中，測得船體橫向加速度變化范圍為-0.02～0.03 g，船體垂向加速度變化范圍-0.03～-0.1 g，船體橫向搖擺角變化范圍-4～-1.5°。

2.3 理論計(jì)算、船模試驗(yàn)和實(shí)際海況試驗(yàn)結(jié)果對比

以瓊州海峽火車輪渡為例，對比分析船體縱向加速度、垂向加速度、橫向加速度和船橫擺角的理論計(jì)算、船模試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際船體試驗(yàn)測試結(jié)果，得到理論計(jì)算、船模試驗(yàn)和實(shí)際海況試驗(yàn)結(jié)果對比如表5 所示，可見理論計(jì)算的最大加速度數(shù)值大于船模試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際海況試驗(yàn)測試數(shù)值小于理論值和船模試驗(yàn)結(jié)果。其中特殊海況試驗(yàn)測試的船體縱向加速度最大值0.021 g，只有理論計(jì)算值的17%；垂向加速度測試最大值0.042 g，只有理論計(jì)算值的5.8%；橫向加速度測試最大值0.149 g，只有理論計(jì)算值的30%；橫擺角的測試結(jié)果3.732o，也遠(yuǎn)小于船模試驗(yàn)的18.26o。經(jīng)分析認(rèn)為國際海事組織推薦的計(jì)算方法和船模型耐波性試驗(yàn)條件都是基于遠(yuǎn)洋航行海況條件，與瓊州海峽的近海海況條件相差較大，導(dǎo)致理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際海況試驗(yàn)結(jié)果差別較大。

表5 理論計(jì)算、船模試驗(yàn)和實(shí)際海況試驗(yàn)結(jié)果對比Tab.5 Comparison of theoretically calculated value,seakeeping test value,and actual test value

3 惡劣海況條件航行運(yùn)動響應(yīng)模擬試驗(yàn)及仿真研究

3.1 惡劣海況條件航行運(yùn)動響應(yīng)模擬試驗(yàn)

按照火車輪渡設(shè)計(jì)要求及海事、港口等部門規(guī)定，瓊州海峽火車輪渡和煙大火車輪渡在氣象條件達(dá)到蒲氏8 級風(fēng)力的惡劣天氣條件時禁止航行，故惡劣海況條件試驗(yàn)組織困難，且安全風(fēng)險較大，研究采用在試驗(yàn)航行中打舵操作方式來模擬惡劣海況下渡船運(yùn)動響應(yīng)，探索以模擬惡劣海況運(yùn)動響應(yīng)試驗(yàn)方式代替實(shí)際惡劣海況條件試驗(yàn)的可行性。為保證試驗(yàn)一致性，試驗(yàn)用船仍然采用“粵海鐵2 號”渡船，試驗(yàn)時海上風(fēng)力3～4 級，試驗(yàn)采用多次滿舵轉(zhuǎn)彎的方式增加渡船的運(yùn)動幅度，模擬惡劣海況下渡船運(yùn)動響應(yīng)，惡劣海況運(yùn)動響應(yīng)模擬試驗(yàn)航行軌跡圖如圖2所示。

圖2 惡劣海況運(yùn)動響應(yīng)模擬試驗(yàn)航行軌跡圖Fig.2 Navigation diagram of simulation test under severe sea conditions

惡劣海況航行運(yùn)動響應(yīng)模擬試驗(yàn)的加速度傳感器、角度傳感器布置與惡劣海況試驗(yàn)測試相同。模擬航行過程中，得到惡劣海況模擬試驗(yàn)渡船各向加速度及搖擺角如圖3 所示。航行過程中橫向加速度變化范圍-0.15～0.1 g，垂向加速度變化范圍-0.025～0.015 g，船體縱向加速度變化范圍-0.06～-0.01 g，船體俯仰角變化范圍0～1.2°，船體橫擺角變化范圍0～4.8°。惡劣海況模擬試驗(yàn)測試結(jié)果如表6所示。

表6 惡劣海況模擬試驗(yàn)測試結(jié)果Tab.6 Results of simulation test of severe sea conditions

圖3 惡劣海況模擬試驗(yàn)渡船各向加速度及搖擺角Fig.3 Acceleration and swing angle of the ferry in all directions under severe sea conditions

3.2 惡劣海況條件航行運(yùn)動響應(yīng)仿真計(jì)算

以“粵海鐵2 號”渡船為仿真計(jì)算主體，模擬其在惡劣海況條件下航行時運(yùn)動響應(yīng)，并與惡劣海況條件實(shí)際試驗(yàn)時測量值對比分析，研究打舵操作引起的運(yùn)動響應(yīng)是否達(dá)到惡劣海況條件下渡船的運(yùn)動響應(yīng)，評估的運(yùn)動參數(shù)主要為橫向加速度、垂向加速度、橫擺角和俯仰角。渡船水動力計(jì)算模型如圖4所示，網(wǎng)格數(shù)為7 428。

圖4 渡船水動力計(jì)算模型Fig.4 Hydrodynamic calculation model of the ferry

仿真模擬計(jì)算時，航行工況設(shè)計(jì)為航速9～13 節(jié)，浪向0～180°，浪高2.0～4.5 m、波浪周期6～14 s。以航速13節(jié)航行工況為例，其仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)測試得到航速13 節(jié)、浪高2.0～4.5 m 海況下模擬與試驗(yàn)對比結(jié)果如圖5 所示，圖中周向代表浪向，船艏迎浪為180°，浪向間隔15°，徑向代表波浪周期。圖中每個點(diǎn)表示一個海況，以浪高3.0 m圖為例，徑向10、周向30的點(diǎn)代表浪高3.0 m、波浪周期10 s、浪向30°的海況。圖中運(yùn)動響應(yīng)曲線所圍的區(qū)域表示在該區(qū)域海況下，試驗(yàn)時打舵操作引起的運(yùn)動響應(yīng)不小于該海況下的運(yùn)動響應(yīng)，所圍區(qū)域的大小表示試驗(yàn)中打舵操作引起的運(yùn)動響應(yīng)滿足該海況下運(yùn)動響應(yīng)的水平。

圖5 航速13節(jié)浪高2.0～4.5 m海況下模擬與試驗(yàn)對比結(jié)果Fig.5 Comparison of simulation and test at speed of 13 kn and wave height of 2.0～4.5 m

3.3 研究對比總結(jié)

分析惡劣海況條件航行運(yùn)動響應(yīng)模擬試驗(yàn)及仿真研究結(jié)果，可以得到如下結(jié)論。

（1）在浪高2.0～3.0 m 海況下，試驗(yàn)時打舵操作產(chǎn)生的橫向加速度在大部分海況條件下都能滿足，隨著浪高的增加，滿足的海況范圍逐漸減小，且集中在艏斜浪、艉斜浪海況下。

（2）在浪高2.0～3.0 m 海況下，試驗(yàn)時打舵操作產(chǎn)生的垂向加速度在艉斜浪的部分海況條件下能滿足，在浪高大于3.0 m 惡劣海況下，只有少數(shù)隨浪(浪向角0°)海況下才能滿足。

（3）在浪高2.0～3.0 m 海況下，俯仰角在艏斜浪、艉斜浪的少部分海況下滿足，在浪高大于3.0 m惡劣海況下，只有少數(shù)迎浪、隨浪海況下才能滿足。

（4）橫擺角主要在迎浪、艏斜浪的部分海況下可以滿足，隨著浪高的增加，能滿足的海況范圍逐漸減少。

（5）航行運(yùn)動響應(yīng)仿真計(jì)算顯示，浪高小于3.0 m(6級風(fēng))海況下，橫向加速度試驗(yàn)測量值與相應(yīng)海況計(jì)算值相當(dāng)，垂向加速度、橫擺角、俯仰角試驗(yàn)測量值與部分海況計(jì)算值相當(dāng)。浪高3.0 m(6級風(fēng))至浪高4.5 m(8級風(fēng))惡劣海況下，只有橫向加速度、橫擺角的部分試驗(yàn)測量值與相應(yīng)海況計(jì)算值相當(dāng)。

4 結(jié)束語

現(xiàn)行火車輪渡運(yùn)輸技術(shù)條件理論計(jì)算方法及船模型耐波性試驗(yàn)條件都是基于遠(yuǎn)洋航行海況條件，計(jì)算工況與瓊州海峽、渤海海峽等近海海況條件相差較大，相關(guān)計(jì)算方法不能完全適用于近?；疖囕喍?，應(yīng)采用實(shí)際海況條件試驗(yàn)。瓊州海峽、渤海海峽惡劣海況試驗(yàn)時縱向、橫向、垂向加速度試驗(yàn)測量值小于鐵路合作組織推薦的鐵路運(yùn)輸加速度值，也小于按《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》[10]折算的加速度值，說明按現(xiàn)行《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》等規(guī)定裝載可滿足惡劣海況條件火車輪渡安全運(yùn)輸要求。采用打舵操作模擬渡船惡劣海況航行時運(yùn)動相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果只有部分試驗(yàn)測量值與相應(yīng)海況模擬計(jì)算值相當(dāng)，打舵操作方式尚不能完全模擬實(shí)際惡劣海況條件。