船舶系泊纜繩的力學(xué)分析及應(yīng)用
新日照船長 廖秉軍
摘要：分析船舶在系泊期間纜繩的靜態(tài)力學(xué)分析和動態(tài)力學(xué)分析及應(yīng)用
關(guān)鍵詞：系泊設(shè)備、纜繩、靜態(tài)力學(xué)、動態(tài)力學(xué)、剎車力、破斷力、纜車絞力、恒張力
參考文獻：無
一、引言
隨著船舶的大型化，船舶的系泊安全已經(jīng)成為構(gòu)成船舶事故和風(fēng)險的重要因素之一。船舶系泊主要依靠纜繩、纜機、纜樁、出纜孔、導(dǎo)向滾輪等設(shè)備進行配置和操控。船舶大型化以后，這些設(shè)備需要操控的力量非常大，而且不同的操控方法和能力對這些力量的調(diào)整幅度差別非常大，合理的指揮方案和良好的操作技能比盲目的指揮和操作可以更合理地掌控好這些力量，減少船舶在系泊期間的事故和風(fēng)險。為了能更好地制定指揮方案和掌握良好的操作技能，能更好地控制好這些巨大的力量，很有必要對船舶系泊設(shè)備進行靜態(tài)力學(xué)分析和動態(tài)力學(xué)分析，對可能出現(xiàn)的風(fēng)險準(zhǔn)備好應(yīng)對預(yù)案，才能更好地應(yīng)對影響船舶系泊安全的各種風(fēng)險。
圖1
二、纜繩的靜態(tài)受力分析
(一)靜態(tài)纜繩受力分析
如圖1所示：纜繩受力F。根據(jù)力的矢量性，F(xiàn)可以分解為F1和F1'。F1'可以又可分解為F2和F3，對船舶系泊安全起作用的就是F2和F3。
纜繩力的大小和彈簧相似，都屬于彈性形變。彈性系數(shù)為K，（出纜部分每一小段的）伸長（形變）長度為ΔL ,則F＝K·ΔL（0°＜α＜90°，0°＜β＜90°），根據(jù)三角形正弦和余弦定律可知：
F1＝F·sinα——→對抗船舶浮力，α ↑,F1↑
F1′＝F·cosα——→是F2和F3的合力, α ↓ , F1′↑
F2＝F1′·sinβ＝F·cosα·sinβ——→提供橫向駐留力, α ↓ , β↑ , F2 ↑
F3＝F1′·cosβ＝F·cosα·cosβ——→避免船舶向前移動, α ↓ , β↓ , F3 ↑
假設(shè)系泊期間船舶沒有發(fā)生前后左右移動，則角α是變量（隨潮汐和吃水變化），角β是定值（出纜點距系固點的橫向a和縱向b距離不變）。即一旦出纜孔和系固點確定，不管F大小，其分配比例只隨出纜點離系固點的垂直高度而變。這里采用作圖法進行比較。以高度大幅度增加為例，對比圖見圖2和圖3：
很顯然，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3分配比例改變了，F(xiàn)1大幅增加，F(xiàn)2和F3相應(yīng)減少。
同理，如果船舶發(fā)生左右或前后位移，其角α和角β也會發(fā)生改變，力的分配也會發(fā)生變化，有時外力過大，就只能在這些新的角度上找到系泊力和外力的平衡點，所以船舶難以正?；乜俊?/span>
船舶靠在泊位上時船舶還將受到碼頭碰墊的摩擦力（f），其大小與F2有關(guān)，f＝F2·（μ），f大小和碰墊的摩擦系數(shù)（μ）有關(guān)。其方向為沿船長方向，向前和向后隨受力的變化而變化，具有向前運動趨勢時向后，具有向后運動趨勢時向前。碰墊的材料一般都是橡膠類材料，因此μ的取值主要和碰墊與船舶的接觸面大小有關(guān)。
（二）靜態(tài)纜繩受力分析在帶纜作業(yè)中的應(yīng)用
在帶纜作業(yè)中，高（h）不可隨意調(diào)整，但可以選擇不同的出纜孔和系固點，相當(dāng)于可調(diào)整立方體中的長（a）、寬（b）。通過對a、b的調(diào)整，確定出纜長度和鎖定角β，達到在整個靠泊期間即便h發(fā)生變化，也能既有合適的受力分配，又有合適的纜繩“系泊能量”。
三、纜繩的動態(tài)受力分析
（一）纜繩動態(tài)受力分析的必要性
以上對纜繩受力進行分析是基于船舶正常系泊的靜態(tài)分析方法，是預(yù)防船舶移動的分析方法。之所以用“系泊能量”一詞而不用“系泊力”，主要是基于船舶在系泊中遇到突發(fā)的外力而導(dǎo)致船舶左右（X）、前后（Y）、垂向（Z）位移的力學(xué)分析而需要用的動態(tài)分析方法。
船舶在系泊中經(jīng)常會遇到突發(fā)狀況，導(dǎo)致船舶移動。當(dāng)外力大于纜繩在橫向力（F2）或縱向力（F3+f）時，船舶將橫移或縱移。
一旦船舶因外力發(fā)生移動，此時纜繩的受力不能僅用纜繩發(fā)生彈性形變產(chǎn)生的拉力進行分析，還需要分析船舶移動產(chǎn)生的慣性力，以及操控船舶回靠過程中一系列影響因素。
（二）纜繩的彈性形變
要進行系泊期間船舶移動的動態(tài)力學(xué)分析，必須先分析纜繩的彈性形變。纜繩彈性形變的情況和彈簧相同，都是由于形變產(chǎn)生拉力。纜繩的破斷，類似于彈簧的不可復(fù)原的永久形變，在纜繩破斷以前，纜繩所產(chǎn)生的形變可以近似看成不變，即纜繩的彈性系數(shù)K。纜繩所產(chǎn)生的拉力：
L＝一段單位長度的纜繩的長度，
L′＝這段纜繩產(chǎn)生形變后的長度，
ΔL 為纜繩的形變長度，即ΔL ＝L′－L
則：F＝K·ΔL
為便于理解，可以用纜繩的直徑作為參量來考慮。彈性形變前纜繩的直徑為（D），彈性形變后直徑為（d）,則，無論纜繩長短，當(dāng)纜繩形變后直徑（d）相同則產(chǎn)生的拉力F相同（纜繩疲勞老化造成的不可恢復(fù)的直徑變小除外）。
在帶纜的時候，出纜長度應(yīng)適當(dāng)，且應(yīng)盡可能使多條纜繩受力均衡。過長，纜繩要達到特定的直徑d需要變化較長的長度，船舶需要運動很大的幅度才能使合力增大到足以減小船舶移動速度和停止移動，如果船舶移動很長距離時才增大到大于外力，船舶慣性力的增量將與船速成平方倍增長，將難以得到控制。過短，在運動很小的幅度時，纜繩的受力就已經(jīng)增大到超過其破斷力，很容易造成斷纜。某些纜繩過短必定和其他纜繩出纜不一致，也達不到均衡受力的效果，在船舶產(chǎn)生位移后這些明顯太短的纜繩直徑d變化很大，受力增大比其他纜繩快很多，容易造成斷纜，續(xù)而可能引發(fā)接連斷纜的“多米諾骨牌”效應(yīng)。
（三）對船舶移位進行纜繩的動態(tài)力學(xué)分析
船舶在運動時受力過程與“蹦極”運動過程極其相似，不同點只是船舶一開始存在一個系泊力。暫時不考慮水流阻力、空氣阻力等其他外力因素，則用類似的分析原理可以很直觀地理解船舶發(fā)生移位后纜繩的動態(tài)受力分析，如圖4所示：
圖4
圖中：F表示纜繩彈力；F外 表示外力；a表示外力方向加速度；a′表示F作用下回彈加速度；V表示外力方向速度；V′表示F作用下回彈速度。
從開始受外力到船舶移動至最遠點，纜繩受力逐步增加，并在整個過程中對船舶做功以抵消外力以及動能。首先，彈力“F”必須要抵消“F外”，即在纜繩逐步伸長的過程中彈力F增加到和F外一樣大；而后纜繩彈力“F”和外力“F外”的合力必須指向泊位，此時纜繩開始承受船舶移動的慣性力。
纜繩和外力的合力：F合＝F＋F水阻－F外
F＝K×ΔL , （ΔL是變量，隨船舶移動幅度而變化，即F和F合也是變量）
船舶的動能： E動＝1/2×mV2
纜繩的彈性勢能： E彈＝F合×S＝F合×V均×T （S＝V均×T）
根據(jù)能量守恒定律，要使船舶停止運動，就必須將動能完全轉(zhuǎn)化為彈性勢能：E動＝E彈
則，E彈＝E動＝F合×V均×T＝P均×T
F合、V均是變量，彈性勢能的計算和慣性力計算非常復(fù)雜，但我們根據(jù)上述公式可以得出以下結(jié)論：
結(jié)論一：E動＝1/2×mV2，說明纜繩需要具備的彈性勢能隨著最大船速增大而增大，且呈平方倍增長。說明在初始階段加大纜繩受力，控制船舶移動速度的重要性。
結(jié)論二：E動＝F合×V均×T＝P均×T，說明花費越多時間去抵消動能，其所需的合力就越小（F合指向碼頭）。相當(dāng)于適當(dāng)減小纜繩的“輸出功率”，不至于“過載”而斷纜。
m表示船舶質(zhì)量；
（四）絞纜機在船舶遇外力移動時的受力分析
系泊中，僅了解了纜繩的受力特點是不夠的，還需要對控制纜繩的設(shè)備進行討論，才能為正確的指揮和操作提供理論依據(jù)。
船舶用于控制纜繩受力的設(shè)備，主要是絞纜機和挽纜樁。其中絞纜機控制纜繩受力可分成三種：“手動”，即用纜機剎車片剎牢，其產(chǎn)生的力以下稱為“剎車力”；“自動”，即使用油泵恒張力控制纜繩保持一定張力，其產(chǎn)生的力以下稱為“恒張力”；以及手動調(diào)整纜繩過程中的產(chǎn)生的力，以下稱為“纜車絞力”。
1.絞纜機提供的三種受力方式和纜繩破斷力對比分析
以下就絞纜機提供的三種受力方式和纜繩破斷力展開討論，分別比較其大小和特點：
（1）“纜車絞力”和“恒張力”
“恒張力”大小由油泵決定，可調(diào)整，由于一般其有專用的油泵（小泵），該油泵的最大輸出功率小于用手動絞纜的油泵（大泵），因此，“纜車絞力”＞“恒張力”。
（2）“纜車絞力”和“剎車力”
最大剎車力由其剎車帶狀況、剎車螺桿的松緊、以及纜繩盤卷于纜車時最外層距離軸心的距離與剎車帶距離軸心的距離比（杠桿原理）決定。在纜繩不帶力的情況下，當(dāng)剎車片完全剎緊后，使用手動絞進，當(dāng)油泵的輸出功率達到最大時，絞纜機也不會轉(zhuǎn)動，因此，“最大剎車力”＞“纜車絞力”,且“實際剎車力”＝“纜繩受力”，因此實際剎車力是一個變化幅度很大的力，剎牢后不可自主調(diào)節(jié)，其大小由纜繩吃力大小決定（忽略摩擦力）。
（3）“纜車絞力”和“破斷力”
通常情況下，在為船舶配備纜繩時，良好狀況下的纜繩是不會被絞纜機絞纜而崩斷的，因此,“破斷力”＞“纜車絞力”
（4）“剎車力”和“破斷力”
就“最大剎車力”而言，因纜繩經(jīng)常出現(xiàn)斷纜的情況（忽略摩擦力），可以判斷：“剎車力”＞“破斷力”
綜上所述可得：“剎車力”＞“破斷力”＞“纜車絞力”＞“恒張力”
2.比較“手動纜”和“自動纜”
在系泊中的船舶，纜車上的一根纜繩，受力方式有兩種選擇，一種是“手動纜”，另一種是“自動纜”。手動纜對應(yīng)的力為“剎車力”，自動纜對應(yīng)的力為“恒張力”。
“自動纜”提供的“恒張力”其的特點是：在船舶靜止不動時，為提供纜繩恒定的張力，大大減輕值班人員的工作量。但在船舶運動時提供的“恒張力”就不那么樂觀了，相對手動剎牢，其作用會加劇移動幅度和趨勢。但在左右移動和前后移動中還有差別。
（1）對船舶前后移動中的“自動纜”進行分析
以圖一中船艏纜繩為例：假設(shè)船舶受外力由靜止變?yōu)橐苿?，移動速度向前。則：
①船舶前移，為保持恒張力，倒纜自動松出，提供向后的恒定的拉力，阻止船舶前移，同時頭纜自動纜在絞進，加劇前移
②前移到位，為保持恒張力，纜繩保持不動，提供恒定系泊力。由于纜繩向后的拉力合力給船舶向后的加速度，船舶并不會停止不動，而是開始向后運動，則，
③船舶后移，為保持恒張力，倒纜自動絞進，提供向后的恒定拉力，同時頭纜自動纜松出，加劇船舶后移。
④后移到位，為保持恒張力，纜繩保持不動，提供恒定系泊力。而后從第①步起多次重復(fù)，而手動纜繩由于剎車不牢向外溜出（或斷纜），出纜長度變長，手動纜開始起作用的位置比以前更晚，導(dǎo)致移動幅度進一步增大，直至外力減小。
（2）對船舶向外移動中的“自動纜”進行分析
圖一中船艏全部纜繩為例：假設(shè)船舶受外力由靜止變?yōu)橐苿?，移動速度向外。則：
①船舶外移，為保持恒張力，自動松出，提供向內(nèi)的恒定的拉力，同時其他自動纜方向一致，阻止船舶外移。
②外移到位，為保持恒張力，纜繩保持不動，提供恒定靠攏絞力。此時，由于手動纜繩出纜變長,拉力合力迅速衰退以及水的阻力在橫向上特別大，依靠自動纜一般不足以使船舶較大幅度回靠，給船舶回靠的加速度不足以形成第二次往復(fù)移動。則，自動纜保持恒定靠攏絞力，并在平衡點和手動纜的合力共同對抗外力，外力大于纜繩合力則手動剎車繼續(xù)溜出，船舶繼續(xù)往復(fù)向外，纜繩合力大于外力則在手動纜可以受力的距離上，船舶保持位置不動。
（3）“自動纜”的優(yōu)勢
自動纜崩斷只有在船舶運動速度特別快的情況下才會發(fā)生，因此，其優(yōu)點在于不易造成全部斷纜。“較短的”、“近橫向的”、“一個纜機中兩根纜繩的其中一根”是決策自動纜使用的關(guān)鍵因素。
四、結(jié)束語
纜繩受力分析的相關(guān)知識只是確保船舶系泊安全的基礎(chǔ)知識，正如熟悉船舶試航數(shù)據(jù)并不表示就能熟練操控船舶一樣，但熟練掌握這些基礎(chǔ)知識卻是靈活運用的基礎(chǔ)。系泊安全事故時有發(fā)生，事后分析的原因大多是可以預(yù)防的。由于在專業(yè)教學(xué)中沒有相關(guān)課程，使得一些值班人員在這一方面成為技能短板，為此應(yīng)對相關(guān)人員組織討論和學(xué)習(xí)。只有靈活運用基礎(chǔ)知識、制定預(yù)案、加強演練，才能更好地預(yù)防系泊安全事故。
