船舶系泊缆绳的力学分析及应用

船舶系泊缆绳的力学分析及应用

新日照船长 廖秉军

摘要：分析船舶在系泊期间缆绳的静态力学分析和动态力学分析及应用

关键词：系泊设备、缆绳、静态力学、动态力学、刹车力、破断力、缆车绞力、恒张力

参考文献：无

 

    一、引言

随着船舶的大型化，船舶的系泊安全已经成为构成船舶事故和风险的重要因素之一。船舶系泊主要依靠缆绳、缆机、缆桩、出缆孔、导向滚轮等设备进行配置和操控。船舶大型化以后，这些设备需要操控的力量非常大，而且不同的操控方法和能力对这些力量的调整幅度差别非常大，合理的指挥方案和良好的操作技能比盲目的指挥和操作可以更合理地掌控好这些力量，减少船舶在系泊期间的事故和风险。为了能更好地制定指挥方案和掌握良好的操作技能，能更好地控制好这些巨大的力量，很有必要对船舶系泊设备进行静态力学分析和动态力学分析，对可能出现的风险准备好应对预案，才能更好地应对影响船舶系泊安全的各种风险。

图1

二、缆绳的静态受力分析

(一)静态缆绳受力分析

如图1所示：缆绳受力F。根据力的矢量性，F可以分解为F₁和F₁'。F₁'可以又可分解为F₂和F₃，对船舶系泊安全起作用的就是F₂和F₃。

缆绳力的大小和弹簧相似，都属于弹性形变。弹性系数为K，（出缆部分每一小段的）伸长（形变）长度为ΔL ,则F＝K·ΔL（0°＜α＜90°，0°＜β＜90°），根据三角形正弦和余弦定律可知：

F₁＝F·sinα——→对抗船舶浮力，α ↑,F₁↑

F₁′＝F·cosα——→是F2和F3的合力, α ↓ , F₁′↑

F₂＝F₁′·sinβ＝F·cosα·sinβ——→提供横向驻留力, α ↓ , β↑ , F₂ ↑

F₃＝F₁′·cosβ＝F·cosα·cosβ——→避免船舶向前移动, α ↓ , β↓ , F₃ ↑

假设系泊期间船舶没有发生前后左右移动，则角α是变量（随潮汐和吃水变化），角β是定值（出缆点距系固点的横向a和纵向b距离不变）。即一旦出缆孔和系固点确定，不管F大小，其分配比例只随出缆点离系固点的垂直高度而变。这里采用作图法进行比较。以高度大幅度增加为例，对比图见图2和图3：

    很显然，F₁，F₂，F₃分配比例改变了，F₁大幅增加，F₂和F₃相应减少。

    同理，如果船舶发生左右或前后位移，其角α和角β也会发生改变，力的分配也会发生变化，有时外力过大，就只能在这些新的角度上找到系泊力和外力的平衡点，所以船舶难以正常回靠。

    船舶靠在泊位上时船舶还将受到码头碰垫的摩擦力（f），其大小与F₂有关，f＝F₂·（μ），f大小和碰垫的摩擦系数（μ）有关。其方向为沿船长方向，向前和向后随受力的变化而变化，具有向前运动趋势时向后，具有向后运动趋势时向前。碰垫的材料一般都是橡胶类材料，因此μ的取值主要和碰垫与船舶的接触面大小有关。

（二）静态缆绳受力分析在带缆作业中的应用

    在带缆作业中，高（h）不可随意调整，但可以选择不同的出缆孔和系固点，相当于可调整立方体中的长（a）、宽（b）。通过对a、b的调整，确定出缆长度和锁定角β，达到在整个靠泊期间即便h发生变化，也能既有合适的受力分配，又有合适的缆绳“系泊能量”。

三、缆绳的动态受力分析

（一）缆绳动态受力分析的必要性

    以上对缆绳受力进行分析是基于船舶正常系泊的静态分析方法，是预防船舶移动的分析方法。之所以用“系泊能量”一词而不用“系泊力”，主要是基于船舶在系泊中遇到突发的外力而导致船舶左右（X）、前后（Y）、垂向（Z）位移的力学分析而需要用的动态分析方法。

    船舶在系泊中经常会遇到突发状况，导致船舶移动。当外力大于缆绳在横向力（F₂）或纵向力（F₃+f）时，船舶将横移或纵移。

    一旦船舶因外力发生移动，此时缆绳的受力不能仅用缆绳发生弹性形变产生的拉力进行分析，还需要分析船舶移动产生的惯性力，以及操控船舶回靠过程中一系列影响因素。

（二）缆绳的弹性形变

    要进行系泊期间船舶移动的动态力学分析，必须先分析缆绳的弹性形变。缆绳弹性形变的情况和弹簧相同，都是由于形变产生拉力。缆绳的破断，类似于弹簧的不可复原的永久形变，在缆绳破断以前，缆绳所产生的形变可以近似看成不变，即缆绳的弹性系数K。缆绳所产生的拉力：

L＝一段单位长度的缆绳的长度，

L′＝这段缆绳产生形变后的长度，

ΔL 为缆绳的形变长度，即ΔL ＝L′－L

则：F＝K·ΔL

为便于理解，可以用缆绳的直径作为参量来考虑。弹性形变前缆绳的直径为（D），弹性形变后直径为（d）,则，无论缆绳长短，当缆绳形变后直径（d）相同则产生的拉力F相同（缆绳疲劳老化造成的不可恢复的直径变小除外）。

    在带缆的时候，出缆长度应适当，且应尽可能使多条缆绳受力均衡。过长，缆绳要达到特定的直径d需要变化较长的长度，船舶需要运动很大的幅度才能使合力增大到足以减小船舶移动速度和停止移动，如果船舶移动很长距离时才增大到大于外力，船舶惯性力的增量将与船速成平方倍增长，将难以得到控制。过短，在运动很小的幅度时，缆绳的受力就已经增大到超过其破断力，很容易造成断缆。某些缆绳过短必定和其他缆绳出缆不一致，也达不到均衡受力的效果，在船舶产生位移后这些明显太短的缆绳直径d变化很大，受力增大比其他缆绳快很多，容易造成断缆，续而可能引发接连断缆的“多米诺骨牌”效应。

（三）对船舶移位进行缆绳的动态力学分析

    船舶在运动时受力过程与“蹦极”运动过程极其相似，不同点只是船舶一开始存在一个系泊力。暂时不考虑水流阻力、空气阻力等其他外力因素，则用类似的分析原理可以很直观地理解船舶发生移位后缆绳的动态受力分析，如图4所示：

图4

图中：F表示缆绳弹力；F外 表示外力；a表示外力方向加速度；a′表示F作用下回弹加速度；V表示外力方向速度；V′表示F作用下回弹速度。

    从开始受外力到船舶移动至最远点，缆绳受力逐步增加，并在整个过程中对船舶做功以抵消外力以及动能。首先，弹力“F”必须要抵消“F外”，即在缆绳逐步伸长的过程中弹力F增加到和F外一样大；而后缆绳弹力“F”和外力“F外”的合力必须指向泊位，此时缆绳开始承受船舶移动的惯性力。

    缆绳和外力的合力：F合＝F＋F水阻－F外

     F＝K×ΔL , （ΔL是变量，随船舶移动幅度而变化，即F和F合也是变量）

    船舶的动能：  E动＝1/2×mV2

    缆绳的弹性势能：  E弹＝F合×S＝F合×V均×T  （S＝V均×T）

    根据能量守恒定律，要使船舶停止运动，就必须将动能完全转化为弹性势能：E动＝E弹

      则，E弹＝E动＝F合×V均×T＝P均×T

       F合、V均是变量，弹性势能的计算和惯性力计算非常复杂，但我们根据上述公式可以得出以下结论：

    结论一：E动＝1/2×mV2，说明缆绳需要具备的弹性势能随着最大船速增大而增大，且呈平方倍增长。说明在初始阶段加大缆绳受力，控制船舶移动速度的重要性。

    结论二：E动＝F合×V均×T＝P均×T，说明花费越多时间去抵消动能，其所需的合力就越小（F合指向码头）。相当于适当减小缆绳的“输出功率”，不至于“过载”而断缆。

m表示船舶质量；

（四）绞缆机在船舶遇外力移动时的受力分析

    系泊中，仅了解了缆绳的受力特点是不够的，还需要对控制缆绳的设备进行讨论，才能为正确的指挥和操作提供理论依据。

    船舶用于控制缆绳受力的设备，主要是绞缆机和挽缆桩。其中绞缆机控制缆绳受力可分成三种：“手动”，即用缆机刹车片刹牢，其产生的力以下称为“刹车力”；“自动”，即使用油泵恒张力控制缆绳保持一定张力，其产生的力以下称为“恒张力”；以及手动调整缆绳过程中的产生的力，以下称为“缆车绞力”。

1.绞缆机提供的三种受力方式和缆绳破断力对比分析

以下就绞缆机提供的三种受力方式和缆绳破断力展开讨论，分别比较其大小和特点：

    （1）“缆车绞力”和“恒张力”

“恒张力”大小由油泵决定，可调整，由于一般其有专用的油泵（小泵），该油泵的最大输出功率小于用手动绞缆的油泵（大泵），因此，“缆车绞力”＞“恒张力”。

（2）“缆车绞力”和“刹车力”

最大刹车力由其刹车带状况、刹车螺杆的松紧、以及缆绳盘卷于缆车时最外层距离轴心的距离与刹车带距离轴心的距离比（杠杆原理）决定。在缆绳不带力的情况下，当刹车片完全刹紧后，使用手动绞进，当油泵的输出功率达到最大时，绞缆机也不会转动，因此，“最大刹车力”＞“缆车绞力”,且“实际刹车力”＝“缆绳受力”，因此实际刹车力是一个变化幅度很大的力，刹牢后不可自主调节，其大小由缆绳吃力大小决定（忽略摩擦力）。

（3）“缆车绞力”和“破断力”

通常情况下，在为船舶配备缆绳时，良好状况下的缆绳是不会被绞缆机绞缆而崩断的，因此,“破断力”＞“缆车绞力”

（4）“刹车力”和“破断力”

就“最大刹车力”而言，因缆绳经常出现断缆的情况（忽略摩擦力），可以判断：“刹车力”＞“破断力”

    综上所述可得：“刹车力”＞“破断力”＞“缆车绞力”＞“恒张力”

2.比较“手动缆”和“自动缆”

    在系泊中的船舶，缆车上的一根缆绳，受力方式有两种选择，一种是“手动缆”，另一种是“自动缆”。手动缆对应的力为“刹车力”，自动缆对应的力为“恒张力”。

    “自动缆”提供的“恒张力”其的特点是：在船舶静止不动时，为提供缆绳恒定的张力，大大减轻值班人员的工作量。但在船舶运动时提供的“恒张力”就不那么乐观了，相对手动刹牢，其作用会加剧移动幅度和趋势。但在左右移动和前后移动中还有差别。

（1）对船舶前后移动中的“自动缆”进行分析

    以图一中船艏缆绳为例：假设船舶受外力由静止变为移动，移动速度向前。则：

①船舶前移，为保持恒张力，倒缆自动松出，提供向后的恒定的拉力，阻止船舶前移，同时头缆自动缆在绞进，加剧前移

②前移到位，为保持恒张力，缆绳保持不动，提供恒定系泊力。由于缆绳向后的拉力合力给船舶向后的加速度，船舶并不会停止不动，而是开始向后运动，则，

③船舶后移，为保持恒张力，倒缆自动绞进，提供向后的恒定拉力，同时头缆自动缆松出，加剧船舶后移。

④后移到位，为保持恒张力，缆绳保持不动，提供恒定系泊力。而后从第①步起多次重复，而手动缆绳由于刹车不牢向外溜出（或断缆），出缆长度变长，手动缆开始起作用的位置比以前更晚，导致移动幅度进一步增大，直至外力减小。

（2）对船舶向外移动中的“自动缆”进行分析

图一中船艏全部缆绳为例：假设船舶受外力由静止变为移动，移动速度向外。则：

①船舶外移，为保持恒张力，自动松出，提供向内的恒定的拉力，同时其他自动缆方向一致，阻止船舶外移。

②外移到位，为保持恒张力，缆绳保持不动，提供恒定靠拢绞力。此时，由于手动缆绳出缆变长,拉力合力迅速衰退以及水的阻力在横向上特别大，依靠自动缆一般不足以使船舶较大幅度回靠，给船舶回靠的加速度不足以形成第二次往复移动。则，自动缆保持恒定靠拢绞力，并在平衡点和手动缆的合力共同对抗外力，外力大于缆绳合力则手动刹车继续溜出，船舶继续往复向外，缆绳合力大于外力则在手动缆可以受力的距离上，船舶保持位置不动。

（3）“自动缆”的优势

    自动缆崩断只有在船舶运动速度特别快的情况下才会发生，因此，其优点在于不易造成全部断缆。“较短的”、“近横向的”、“一个缆机中两根缆绳的其中一根”是决策自动缆使用的关键因素。

四、结束语

缆绳受力分析的相关知识只是确保船舶系泊安全的基础知识，正如熟悉船舶试航数据并不表示就能熟练操控船舶一样，但熟练掌握这些基础知识却是灵活运用的基础。系泊安全事故时有发生，事后分析的原因大多是可以预防的。由于在专业教学中没有相关课程，使得一些值班人员在这一方面成为技能短板，为此应对相关人员组织讨论和学习。只有灵活运用基础知识、制定预案、加强演练，才能更好地预防系泊安全事故。