更新时间：2022-08-25 14:35
顶推船，专按照航区可分为内河顶推船和海洋顶推船。最早的内河顶推船由美国在1854年建造 取名为“新月城”号，主要作用为顶推驳船。1902年建造最大的“斯普罗格”号顶推船是当时最大的顶推船，曾顶推过重达7万吨的驳船。专门用于顶推非自航货船的船舶。与拖船相比，顶推运输时驳船在前，推船在后，整个船队有较好的机动性，阻力减小，航速提高，不再需要驳船上的舵设备和操舵人员，从而降低了运输成本。
作为货运方式之一的机动驳运输,具有机动灵活,适用于批量小、价值高、运距短的百杂货、鲜活货以及集装箱货等优点,长期以来一直活跃在长江中上游地区, 为促进该地区经济的发展作出了贡献。2010 年随着三峡工程的完工、航道条件的改变、出川运量的增加,优化三峡枢纽过坝机动驳及其顶推船组运输方式及船型, 以适应新的市场环境和航运条件, 增大三峡永久船闸、升船机和葛洲坝船闸的通过能力, 提高船舶(队)技术经济性能, 充分挖掘长江“黄金水道” 的潜力, 势在必行。
三峡水利枢纽位于湖北省宜昌市三斗坪, 在著名的葛洲坝水利枢纽之上约38 km 。通航建筑物位于大坝左岸一侧,其中包括永久船闸,垂直升船机及施工通航临时船闸。 临时船闸为一线一永久船闸为双线五级, 采用单向过闸方式,一线上行,一线下行, 按年单向运量5 000万吨设计;升船机为快速过坝通道。三峡水库按175 m正常蓄水位运行后, 长江渝汉段将出现通航条件不尽相同的3 个航段,即重庆至坝上段、两坝间和葛洲坝坝下至武汉段。根据川江航道表面流速分布特征, 宜渝段各通航期航道划分为坝间、库区、自然河道3 段,三峡大坝完工后在正常蓄水位175 m 时,枯水期渝-宜段为库区,流速平缓,而在中水期,其回水至长寿,渝宜段仍有89 km的自然河道;在洪水期其回水至万县,渝宜段仍有339km 的自然河道。三峡大坝的建成,使川江航道发生了重大的变化。为使船舶(队)的营运经济分析符合未来的航道条件, 本论文根据不同时期航道水流、回水区不同等特点,采用分段进行营运分析计算的思路。
由于三峡大坝与葛州坝相距不远,其未来的货运量情况应与葛州坝大致相似, 因此以葛州坝船闸历年的货运量进行分析将有代表性。 根据 1981 ～1997 年葛州坝船闸过坝货运量统计资料可知,过坝货运量1982年为346.81万吨,1997年发展到1 386 .07 万吨,运量增长3 倍,年均递增9 .7 %。西南地区云、贵、川3省矿产资源丰富, 已探明储量的有90 多种,其中煤、铁、磷、铝、铜等矿,均在全国占有重要地位,川江货物有煤炭、石油、木材、水泥、矿建、矿石、粮棉、钢材、水果、化肥等。下水以煤炭为主,其次是非金属矿石(主要指磷矿石,石灰石,白云石等),上水货运量主要是重钢所需澳矿, 川东地区所需成品油;此外还有粮食,化肥等进川货物。
随着党中央西部开发战略的实施,西南对外物资交流必将呈逐年上升趋势。分析历年葛州坝船闸过坝货运量的统计数据, 根据数据特性, 采用累积预测法、指数平滑法、加权平均法、回归分析法等进行了货运量预测,并与专家预测结果进行对比,从而预测出2000年三峡大坝建成后川江下水过坝运量为1 550 万吨(1996 年为963 .96 万吨),2030年为5 000万吨。
就其货物的运输航线而言,以长航集团为例,据其1989 ～1997 年航运统计资料分析,煤炭运输的典型航线依次为万县～ 镇江、万县～ 南通、重庆～镇江、涪陵～镇江、重庆～南京、万县～南通;钢铁运输的典型航线依次为重庆～ 镇江、重庆～南京、重庆～上海、重庆～张家港;非金属矿石运输的典型航线为重庆～ 铜陵、重庆～ 南京、重庆～张家港、重庆～ 上海等。 而进川主要货种为金属、石油;其中金属运输的典型航线依次为南京～重庆、镇江～ 重庆。 为全面分析和研究三峡工程完工后进出川货物水路运输方式和船型, 在对现有过坝货物种类及船型进行调研的基础上,选取重庆～ 武汉、重庆～ 铜陵、重庆～ 南京、重庆～ 镇江、重庆～南通、重庆～上海;涪陵～武汉、涪陵～铜陵、涪陵～ 南京、涪陵～ 镇江、涪陵～ 南通、涪陵～上海;万县～武汉、万县～铜陵、万县～南京、万县～镇江、万县～南通、万县～上海等18 条航线作为计算航线进行营运经济分析。
4.1机动驳及其一顶一顶推船组的船型尺度确定
从充分提高三峡大坝升船机、永久船闸通过能力,逐步实现过坝船舶的系列化、标准化,提高船舶技术经济性能等方面考虑,在满足航道、船闸对船队平面尺度限制的前提下, 提出三峡枢纽过坝机动驳(货轮)及其一顶一顶推船组船型尺度系列。以上述船舶(队)尺度为基础, 针对典型航线、典型货种 ,在一定的经济运量下进行货运方式和船型的选择。
4 .2 营运经济分析
4 .2.1 机动驳效益分析及敏感性分析
从计算中可得到如下结论:
1)随船舶吨位的增加,必要货运费率下降的趋势较明显,单位货运周转量的船舶投资也呈下降趋势。这说明在航道条件许可的条件下,机动驳吨位应向大型化发展。
2)随着运输距离的增加,必要货运费率呈下降趋势。
3)随船舶吨位的增加,年利润增加,当船舶吨位超过1 000 t 级时,这种增加的趋势趋缓。船舶在营运过程中, 由于市场行情的变化,必然会影响到其经济性能。为此, 我们对船舶价格、燃油价格、运价、船舶非生产停时及装卸效率分别上下浮动20 %进行计算,并在此基础上对必要货运费率进行敏感性分析。
从计算结果来看:
1)随航距增加,船价、装卸效率、非生产停时敏感性下降, 油价敏感性增加;随航距增加,由于吨位的差异而引起的非生产停时和装卸效率敏感性差异变小。
2)随吨位增加,船价、装卸效率敏感性增加,非生产停时敏感性降低,而油价敏感性变化则与航距有关。
3)在所选定的敏感性分析因素中,对必要货运费率的影响程度排序在较小吨位时为船价、非生产停时、装卸效率,在较大吨位时为船价、装卸效率、非生产停时。 而油价随航距增加越来越敏感。
4 .2.2 机动驳一顶一船组效益计算
计算其在选定的18 条航线上的经济性。以1 000 t 级机动驳及其顶推船组为例 。1 000 t 级机动驳顶推500 t 级普通驳船组, 其经济性低于1 000 t级机动驳单船运输。同样通过计算500 t 级机动驳顶推500 t 级普通驳船组的经济性(计算结果略),可以得出:
1)500 t 级机动驳顶推500 t 级普通驳船组,其经济性优于500 t 级机动驳单船运输。
2)1 000 t 级机动驳顶推500 t 级普通驳船组,其经济性略优于500 t 级机动驳顶推500 t 级普通驳船组。
通过营运经济分析计算, 以三峡工程建成后长江中上游航运条件为基准, 兼顾施工期的具体情况, 对未来机动驳及一顶一顶推船组船型发展提出如下建议:
1)机动驳单船运输总体说来应向大型化方向发展。
2)干杂货运输近期以发展2 000 t 级以下的机动驳(货轮)为宜,远期以发展3 000 t级的机动驳(货轮)为宜。干支直达近期以发展500 t级的机动驳(货轮)及一顶一顶推船队为宜, 远期以发展1 000 t 级的机动驳(货轮)及一顶一顶推船队为宜。
长江是我国第一大河流,横贯长江流域的“六省一市” .自20世纪80年代起,江海直达运输方式一直得到了国家、航运企业与生产企业等相关部门的广泛关注,并取得阶段性的研究成果与良好的经济效益.根据顶推运输方式的要求,推船与驳船采用不同的联结装置可以组成整体式与半整体式船组.其中: 销式联结是国外海上顶推船组常用的联结方式,其在波浪联结力方面的研究仍是有待深入的关键技术之一. 推驳间的联结力与航区的波浪要素、船型参数、联结销的位置等因素有关. 鉴于采用船舶的耐波理论与操纵理论直接计算联结力的方法在船型论证与初步设计阶段难以适用,计算结果尚有待船模试验修正等实际问题,因此,开展联结力的影响因素专题研究可以为船组的船型参数设计提供指导.
1. 1 销式顶推船组的联结方式
销式顶推船组的联接方式是: 在推船的首部中央装有一个纵向的联结销—— 前销;在推船的两舷侧装有一对水平的联结销—— 后销,销的结构与驳船尾部凹槽上的联接孔或槽相匹配. 推船与驳船之间进行联结时,通过液压系统先将首部的前销插入联接孔或槽,然后完成舷侧水平后销的联结. 推、驳之间进行分离时,联结销的运动过程相反. 推、驳之间完全刚性固定,船组为整体式联结 .时,船组的联结转化为两销联结,船组为半整体式联结.
1. 2 波浪联结力与影响要素的建模
江海直达顶推船组航行于特定的海段航区与内河航段,推驳间的联结力由操纵联结力与波浪联结力叠加而成. 船模试验表明: 波浪联结力是联结力的主体,占联结力的70% ～80% . 本文将波浪联结力作为研究的重点,采用无因次的方法将销式顶推船组的波浪联结力与影响要素之间的非线性关系描述为Ki/△= f ( h /λ,λ/L ,Cb, LN/L , Fr ,θ)式中: Ki为各联接销的三向联结力, kN, i= 1, 2,3, 4, 5, 6; L 为船组长度, m; ki为推船单位排水量的各联结销的三向联接力, i= 1, 2, 3, 4, 5, 6; △为推船的排水量, t; f 为非线性映射关系; Fr 为船组的弗劳德数; h 为波高, m; λ为波长, m; θ为船组与波浪间的遭遇角, (°); LN为前、后插销在船组中的位置, N = 1, 2; Cb为驳船的方形系数.
基于收集的船模试验数据,采用神经网络的非线性方法建立联结力与影响要素间的映射关系,当网络按照预设的精度收敛后, 以设计的影响要素为自变量; 以危险遭遇角为设定条件,开展影响各向波浪联结力的要素分析.从实船设计与应用的角度考虑,本文对中国海域的波浪参数 与江海直达顶推船型的设计参数进行收集与分析,确定了各向影响要素的变化范围,借助收敛的神经网络模型,尝试分析主要影响要素对联结力的影响.
1)h /λ分析(θ= 0°) 波陡的输入值设置在[0. 2 0. 38]区间.各向联结力幅值的变化趋势是: 纵向力、垂向力与波陡约成线性关系.其中: 后销垂向力k45与前销纵向力k1的斜率较大;而前销垂向力k 3的斜率较小. 迎浪状态下,后销垂向力k45是联结装置强度校核中应重点关注的载荷.
2)λ/L分析(θ= 0°)波长/船长的输入值设置在[0. 6 0. 7 ]区间 .各联结力幅值的变化趋势是: 随着波长/船长的增加,各联结力呈线性增加,但斜率较小. 相对而言, k45(θ= 0°)的斜率最大.基于船舶耐波理论,前销横向联结力k2与后销横向联结力k6体现了船舶在波浪中运动的耦和效应 ,但幅度有限.相对波长对后销垂向联结力 k 45和后销横向联结力 k6 的幅值影响较大.
3) LN 分析 (θ= 0°)
( 1) 前销的输入值设置在 [0. 75 0. 78 ]区间 ,各联接力的幅值变化趋势是: 随着前销的位置后移,垂向力k3、纵向力k1线性增加; 横向力k2线性下降,各联结力的正、负斜率较大. 前销的不同位置对纵向联结力k1幅值产生显著的影响,实船设计中应予以关注.
( 2) 后销的输入值设置在[0. 82 0. 85 ]区间 .后销的位置后移,垂向力k45线性增加; 横向力k2线性微降,各联结力的正、负斜率较小.后销不同位置对各向联结力难以产生显著的影响.
各向联结力的幅值变化趋势是: 随着方形系数的增加,各联结力呈现增加的趋势,增幅较大的是k6, k45, k1.其中: 后销横向联结力k6幅值变化显著,将对大方形系数的顶推船组产生较大的横向弯矩.实船设计联结销时,其剪切强度的校核应重点考虑k6载荷的影响.
通过建立的联结力与影响要素间的非线性映射模型,采用非线性的神经网络方法,以5个影响要素为自变量,开展了各向波浪联结力在危险遭遇角时的幅值变化分析,得出了每个影响要素对各向联结力的影响规律,为后续的实船设计提供指导.