大型全回转起重船抗横倾系统和起重机操作的优化配合

1 引言

大型全回转起重机所吊重物从船尾转向舷侧的过程中，起重机和吊重重心的变化将产生随时间变化的横向力矩，从而使船舶产生横倾。为此，需要配备相应的横向调载系统，通过反方向调拨压载水来控制船舶的横倾[1]。

由于起重机和抗横倾系统是两个独立的系统，在起重作业从开始到结束的过程中，两者如果不能有效的配合，则不能时刻保证起重机旋转时的横倾倾侧力矩和抗横倾系统的抗横倾力矩相等，船舶仍然可能在起重过程中产生较大的横倾，影响船舶安全。因此有必要研究起重船在起重过程中，起重机如何与抗横倾系统相互配合操作来高效率的完成全回转起重作业，同时确保船舶在整个过程中横倾都处于安全范围之内。

2 大型起重船起重回转操作的现状及存在问题

目前的抗横倾泵都不能调速，只有开启和关闭两种状态。抗横倾系统一般有三种控制模式：手动模式(手动开启和关闭泵组)；半自动模式(手动开启泵组，根据倾斜仪感测船舶横倾的阈值及高低液位，自动关闭泵组)；自动模式(根据倾斜仪感测船舶横倾的阈值及高低液位，确定泵组的启停)。

起重机的操作可以实现无级变速,对于大型起重船全回转工况而言，起重机操作速度过快可能导致横倾超过安全范围；起重机操作速度过慢，则不但影响工作效率，而且在自动模式下可能引起泵组频繁启停，影响抗横倾泵的使用寿命。

为保证船舶安全，对于大型起重船全回转工况，以往的常规操作都是只使用泵组中的少部分泵，使起重机相应减速，当观察到横倾较大时进行校正操作，如此反复直至完成起吊过程。

这种常规做法虽然可以保证船舶的安全，但抗横倾泵组启停频繁影响设备的使用寿命，并且完成一个起重过程的时间很长，没有充分利用设备本身的能力。

①输入层:接收来自三轴加速度计和三轴陀螺仪的时间序列数据。通过滑动时间窗对原始数据进行序列化分割处理后,截取得到包含n个采样点的数据x=[x0,x1,…,xt,…,xn-1]作为后续网络的输入,其中n表示数据的长度(亦即滑动时间窗覆盖的采样点数),xt=[xt_accx,xt_accy,xt_accz,xt_gyrox,xt_gyroy,xt_gyroz]为t时刻的数据。因此x是维度为[6,n]的二维向量。

那个下午本是一切正常的，然而就在迟羽独自起飞时，突然间一股极其少见的超强气流席卷而上。这是相当危险的突发状况。七哥离得远，跑过来已经赶不及了。迟羽体重轻，随着已经散开的伞翼腾空而起。一向冷静的她终于慌乱了，发出惊声尖叫。所有的人都吓呆了。

理想的操作模式是：起重机从船尾向左舷开始起吊转动时，抗横倾泵组全部开启；当抗横倾泵组打到要求的水量后，抗横倾泵组全部关闭。在这一过程中，通过调整起重机的转速，保证船舶横倾控制在安全范围内，并且抗横倾泵组只开启关闭一次，使抗横倾系统的控制较为简单，减少抗横倾系统的造价，同时也延长设备的使用寿命。

本文以烟台打捞局5 000 t起重铺管船为目标船型，以本船最大全回转起重工况为例，研究上述理想操作模式并给出具体的操作步骤。

本船船尾设置一台起重能力5 000 t（船尾固定吊）/3 500 t（全回转式）的大型起重机，船的主要尺度、抗横倾系统参数和起重机参数如下：

（34）要突出绿色、宜居、人文、智慧发展，注重创业就业与居住功能均衡，高水平规划建设北京市行政副中心。

总长 ～199.00 m

垂线间长 184.66 m

型宽 47.60 m

型深 15.00 m

送外卖的来到周泽赡身旁，周泽赡疑惑地看向署名，竟是她。镜头给向寄件人的姓名——“白婗棠”。签完字后，周泽赡拆开包装，里面有一张卡片和一只炸鸡，周泽赡只把卡片留下，其他的扔进了垃圾桶。周泽赡举着沾了些许油的手发呆。

夏季载重线吃水 10.60 m

3.人民币汇率预期对证券投资项下跨境资金流入具有较大影响。在脉冲响应分析中，人民币汇率预期对证券投资跨境资金流入的负面冲击不具有滞后性，且影响程度较大，这与格兰杰因果分析的结论一致，而脉冲响应中后期，人民币汇率预期对证券投资跨境资金流入的影响呈现上下波动。

抗横倾水舱数量 12对

在建设生态文明已成为全球共识，旅游业也壮大的时代背景下，洞庭湖区发展选择旅游业发展路子，是明智之举。洞庭湖的发展价值有多方面体现，湿地旅游业一定是发展中污染最小、且收益主要来自文化，是深远的。而建设生态经济区旅游业，必须始终坚持生态优先。洞庭湖资源丰富多样，价值很大，而此文的思考却是其很微小的一个方面，甚至还存在研究不够全面，逻辑些微欠缺的问题。湖区发展首先要集合力量，推动旅游业的建设发展；落实关键要抓项目，建设最终都要落到具体的项目上，是最重要最有效力的支撑；最后发展的终极目的在于提高人民群众的生活水平和幸福指数。

每对抗横倾水舱数量配置抗横倾泵的数量 2台

压载水密度ρ 1.025 t/m3

抗横倾泵全部开启的总流量Q 400 m3/min

所有抗横倾水舱调拨的压载水平均横向移动距离L 39.06 m

起重机最大吊重下最快旋转速率w 0.942 rad/min

本船最大全回转起重工况（主钩幅度45 m、起吊货物3 500 t）。主要参数如下：

排水量Δ 76 316.9 t

企业工人知晓检测机构、最近一年接受过HIV检测、获得检测前咨询服务的比例以及出现性病症状会到医院接受正规治疗的比例均较高，说明近年来在企业工人中开展的以同伴教育活动、专题讲座和培训为主的宣传干预工作较符合企业工人的特点和需求，取得了一定的干预效果。

吃水 T ～10.0 m

初稳性高度GM 4.85 m

起重机从船尾旋转到一舷时起吊荷重横向最大倾侧力矩M 207 015 tm

考试分析功能以判断题正确率为例，通过jquesCorrectPercent方法重载3次，分别为只传题目id的全部正确率，传入题目id及考试id的该场考试正确率，传入题目id及学生id的个人单体正确率。通过查询答题表，得到答题对象的集合，遍历集合，在答题对象正确否属性中，如果正确则计数加一，然后除以集合大小得到正确率。

3 联合动作的横倾力矩和横倾角计算

（1）起重机回转时产生的横向力矩随时间变化的M1 （t）表示如下：

式中：M ——起重机从船尾旋转到一舷时起吊荷重横向最大倾侧力矩，tm；

——起重机旋转时的圆频率， rad/min；

t —— 时间 , min；

θ—— 初始相位角, rad。

（2）抗横倾泵开启产生的抗横倾力矩随时间变化的M2 （t）表示如下：

式中：ρ—— 压载水密度，t/m3；

Q ——抗横倾泵组流量，m3/min；

L——抗横倾泵组对应的抗横倾水舱调拨的压载水平均横向移动距离L；

t——时间 , min。

令M2 （t）=M，可得抗横倾泵连续开启达到最大倾侧力矩所用的时间tc表示如下：

根据计算，本船最大全回转起重工况时tc=12.9 min。

（3）起重机回转和抗横倾系统联合动作引起的联合横倾力矩随时间变化的M1（t）-M2（t），表示如下：

$.ajax({ type ： 'POST'，url ： 'xxx'，dataType ： 'json'，

根据后面的推导，采用去量纲化的方法的好处是一旦模式选定，则函数（5）的极值都是固定的。

（4）起重机回转和抗横倾系统联合动作引起的船舶横倾角表示如下：

式中：Δ—— 排水量，t；

GM——初稳性高度（计及自由液面与吊重对初稳性高度的影响），m。

联合公式（5）和公式（6），去量纲化后的函数y（t）与横倾角φ（t）关系如下：

公式（7）表达了横倾角和函数的数值关系，当横倾角取为最大允许横倾角时，即可得到对应的函数最大允许值。

4 最大允许横倾角和对应的函数最大允许值

基于《2011国内航行海船法定检验技术规则》的要求，本船全回转工况允许的横倾角不超过5°；基于起重机厂商设计的要求，允许的横倾角为3.5°。引起船舶横倾的除了起吊荷重倾侧力矩和压载水调载的抗横倾力矩之外，还包括风压倾侧力矩。本船风压倾侧力矩引起的横倾角约1°，因此起吊荷重倾侧力矩和压载水调载的抗横倾力矩允许的横倾角为2.5°。

为了充分了解大学生的综合素质状况，我们从某“211工程”高校所属的5个学院中抽了20名学生进行综合素质测评。各个指标值按照关键控制点的要求计算，获得的评价矩阵见表1。

根据公式（7），本船最大全回转起重工况（横倾角取为2.5°）对应的函数最大允许值y（t）=0.078。

由公式（6）可知：对应函数最大允许值与排水量、初稳性高度、最大允许横倾角成正比；与全回转起重机起吊荷重横向最大倾侧力矩成反比关系。因此对于大型全回转起重船，可以参考此点选择主尺度，以满足船舶稳性要求和保证起重机操作的可行性。

5 起重机操作模式

以下所有操作模式都假定起重机开始从尾部旋转时抗横倾泵开启，达到最大倾侧力矩时间tc后抗横倾泵关闭。

起重机每一个步骤的操作，可以用旋转圆频率w和初始相位角θ以及对应运行时间t表示，确定以上参数即可以完整表达起重机的操作步骤。

通过对函数求导可以得出对应函数极值，通过比较函数极值与最大允许值可以判断船舶横倾是否在规定范围内，即可判断对应操作模式是否可行。

y（t）求导后函数如下：

5.1 操作模式（一）

起重机开始从尾部匀速旋转时抗横倾泵开启，起重机旋转到左舷时抗横倾泵关闭，此时横倾力矩和抗横倾力矩平衡。

此模式对应初值条件如下

将上述初值条件代入函数，可以求出起重机旋转时的圆频率w和初始相位角θ；

将起重机旋转时的圆频率w=π/ 2 tc和初始相位角θ=0带入函数（8），令y'（t）=0，可以得出对应极值时的时间t1；将时间t1代入函数（4），可以求出极值ymax。

模式（一）下起重机机旋转圆频率和函数极值随时间的变化，如图1所示。

图1 模式（一）起重机旋转圆频率和函数极值随时间的变化示意图

根据计算，操作模式（一）ymax=0.211，而本船最大全回转起重工况，函数最大允许值为0.078，因此不可以采用模式（一）。

5.2 操作模式（二）

起重机开始从尾部匀速往左旋转时抗横倾泵开启，抗横倾泵开启时间达到tc后抗横倾泵关闭，此时起重机还没完全旋转到左舷。起重机横倾力矩和抗横倾力矩的无量纲差值为-q（0≤q＜1），即船舶处于右倾状态，之后起重机可以继续旋转到左舷。

模式（二）起重机操作分两个阶段：第一阶段，起重机先以某个角速度旋转至角度arcsin(1-q)，在此时间段内函数y（t）将有一个正极值ymax和负极值-q；第二阶段，泵关闭，起重机以最快速度旋转至左舷，在此时间段内函数将由-q变为0。

第一阶段对应初值条件如下：

将初值条件代入函数，可以求出起重机旋转时的圆频率w=arcsin（1-q）/ tc，并通过极限求值的方法得到正极值ymax:

式中： u=1/arcsin（1-q）。

模式（二）下起重机机旋转圆频率和函数极值随时间的变化，如图2所示。

例习题不仅要能考察学生对运算、法则等知识技能的掌握情况，还要具备可读性.编者可以发掘现实生活、科学、人文等方面的素材，应用到例习题的背景设计中，而且可以在例习题前标明背景的来源.这样既能反映数学与生活、其他学科等的联系，又能增强例习题的可欣赏性.

图2 模式（二）起重机旋转圆频率和函数极值随时间的变化示意图

根据计算，模式（二）（E）（q=0.066）函数极值最小为max（q，ymax）=0.067。其对应的起重机操作模式是：起重机以圆频率w=Csin-1（1-q）旋转运动至69.1 o，此时抗横倾力矩达到最大值，抗横倾泵关停；之后起重机以最快速度旋转至90 o。

4.5.2 公园绿地免费开放后会影响公园满意度评价 免费开放对公园满意度的影响较大,说明在公园免费开放后,居民对园内的自然景观、历史文化氛围、休憩设施的数量及质量、园内讲解和咨询服务以及交通便捷程度有高质量要求．公园满意度观测变量中园内自然景观、休憩设施的数量及质量、交通便捷程度因子载荷较大,体现了居民对具有优美的自然风光、舒适的休闲空间以及交通便利的公园的需求．

由此可知，采用模式二（E）函数极值0.067小于函数最大允许值0.078，即按照模式（二）（E）进行起重机操作可以保证船舶横倾在2.5°。

5.3 操作模式（三）

抗横倾泵的操作步骤：

起重机开始从尾部匀速往左旋转时抗横倾泵开启，抗横倾泵开启时间达到tc后抗横倾泵关闭。

近年来，国家开始重视产教融合，特别是产教融合平台的建立，初步搭建了产业与教育融通的渠道。各地方院校也纷纷推出产教融合的新举措，拓宽了产教融合的渠道。尤其是在职业教育与产业对接、人才培养模式等方面成效显著。

起重机操作分三个阶段：第一阶段，起重机以角速度w1旋转至角度arcsin（b-q1），在此时间段内函数y（t）将有一个正极值y1max和负极值-q1；第二阶段，起重机以角速度w2旋转至角度arcsin（1-q2），在此时间段内函数y（t）将有一个正极值y2max和负极值max（-q1，-q2）；第三阶段，泵关闭，起重机以最快速度旋转至左舷。在此时间段内函数y（t）将由-q2变为0。

列出每一阶段的初值条件，并求出其极值y1max。

第一阶段极值y1max表示如下：

式中： u1=b/arcsin（b-q1）

第二阶段极值y2max表示如下：

式中： u2=（1-b）/arcsin（1-q2）-arcsin（b-q1）

模式（三）下起重机机旋转圆频率和函数极值随时间的变化，如图3所示。

图3 模式（三）起重机旋转圆频率和函数极值随时间的变化示意图

b，q1，q2取值不同，起重机每一阶段的旋转圆频率和对应的旋转角度以及ymax值都不同。

根据分析可知，不同的离散方法对应的函数极值差别较大，如果时间划分或者起重机旋转速度设置不合理，则联合力矩作用的横倾角可能较大；如果选取合适的离散化方法，则函数极值较小。

根 据 计 算， 模 式（ 三）（D）（b=0.707，q1=0.018，q2=0.02）函数极值为y1max=0.017、y2max=0.021均小于最大允许值0.078；船舶的横倾角不超过0.67°，远小于最大允许横倾角2.5°。

5.4 操作模式总结

上述起重机从船尾旋转到一舷的过程中，抗横倾泵组只开启关闭一次，对于泵组的操作要求极为简单，极大地降低了抗横倾系统的造价，也增加了抗横倾系统的使用寿命。

由于采用了去量纲化的函数，所以函数极值与起重机的能力和抗横倾泵流量等参数都没有关系，对不同的全回转起重船的典型起重工况，只需要根据规范和起重机能力选取船舶最大允许横倾角即可根据公式（6）算出函数最大允许值，然后选用函数极值小于函数最大允许值的模式进行起重机操作，即可满足船舶安全要求。

对于本船而言，即使是最大全回转起重工况（主钩幅度45 m、起吊3 500 t货物），按照起重机操作模式（二）（E）即可以保证船舶的安全；本船起重机最大吊重下旋转速率为每分钟0.15转，即wmax=0.942，而按照模式（三）（D）只需要w=0.161,因此本船起重机转速属于超配，可以降低起重机旋转速度从而降低起重机的价格。

6 起重机操作自动控制

本文所述计算方法可以在软件中直接编程实现：首先将本文所介绍的计算方法编入装载仪，起重机自身的重量和重心可以在装载仪中自动求出；手动输入起吊货物重量和主钩幅度，可以自动求出对应装载工况的排水量、初稳性高和起吊荷重横向最大倾侧力矩；直接在装载仪中选择本次作业拟开启的泵或泵组，可以自动求出抗横倾泵总流速和调拨的压载水横向移动距离；设定最大允许横倾角后，可以自动求出对应的函数最大允许值；选择在安全范围内的操作模式后，可以直接输出起重机操作步骤（转速、操作时间、旋转角度）；信号反馈至起重机操纵室，按照步骤操作即可。

7 对起重船操作稳性要求的补充

（1）ABS《近海供应船建造和入级规则》第5篇第9章附录1[3],对起重船的稳性范围和失钩后的稳性做了要求；

（2）中华人民共和国海事局《2011国内航行海船法定检验技术规则》第4篇对旋转式起重船的稳性做了要求，其中对倾侧力矩是合并考虑起重船承受的风压倾侧力矩、起重机起吊荷重倾侧力矩以及船舶不对称装载倾侧力矩（抗横倾力矩）。只要设置了足够容量的抗横倾水舱，则稳性计算中起吊荷重倾侧力矩和抗横倾力矩合值为零。使用NAPA软件[4],计算得出本船的稳性衡准数为16.7＞1,满足规范要求；最小初稳性高度为4.85 m＞0.7 m，满足规范要求。

本文考虑实船全回转起重操作过程中，起吊荷重倾侧力矩和抗横倾系统倾侧力矩在动态配合过程中引起的横倾角，实际上是对起吊荷重倾侧力矩和抗横倾力矩合值为零进行修正，可认为是对起重船稳性衡准的有益补充。因为通过对操作模式的探讨表明，即使是按照操作模式（三）（D）进行操作，起吊荷重倾侧力矩和抗横倾力矩合值仍然是起吊荷重倾侧力矩的0.021倍。因此在设计大型全回转起重船时，即使配置了足够容量的抗横倾水舱，也应考虑在起重船承受的风压倾侧力矩、起重机起吊荷重倾侧力矩以及船舶不对称装载倾侧力矩之外，还需要增加一个力矩，这个力矩可以表达为最大起吊荷重倾侧力矩与系数的乘积，该系数如取0.03，则计算得出稳性衡准数为5.6＞1，满足规范要求；最小初稳性高度为4.85 m＞2.0 m，满足规范要求。

8 结语

本文以5 000 t起重铺管船为例，系统分析了大型全回转起重船抗横倾系统和起重机的操作配合问题。讨论了如何给出船舶横倾的安全范围，建立了回转起重作业过程中引起船舶横倾的数学模型，最终推导出合适的回转起重操作模式。通过操作模式分析，给出了起重机最大吊重时的合适的旋转速度，为购买起重机的参数选择提供了依据，可以防止起重机超配而造成浪费。本文的操作模式可以有效减少抗横倾泵的启停次数，延长设备使用寿命。

本文对抗横倾系统和起重机的操作配合的探讨，是对起重船稳性衡准的有益补充，可以进一步保障船舶安全。

参考文献

[1] 陈雷，李含苹. 超大型起重船压载调载系统研究设计[J]. 船舶，2010(1).

[2] 中华人民共和国海事局. 船舶与海上设施法定检验规则-国内航行海船法定检验技术规则2011[M]. 人民交通出版社，2011.

[3] American Bureau of Shipping. Rules for Building and Classing Offshore Support Vessels 2018[S]. 2018.

[4] NAPA Ltd. NAPA for Design Manuals for Release 2014.3[S]. 2014.