摘 要

随着中国实力的增强，船舶通航量也日益提高，对船坞、通航隧洞等通航设备和系统提出来更高的要求。本文对通航隧洞的实船曳引机构进行了设计和研究，为了提高船舶在通航过程中的效率，并且保证通航安全性，通过对传统曳引系统进行整改，传统曳引系统在牵引船舶方面只有牵引小车，缺少对通航船舶侧向的控制，容易在通航过程发生事故，影响通航效果，因此本文新增了定位小车来控制通航船舶，加强对船舶侧向的控制，防止船舶与通航隧洞发生碰撞。

新型曳引系统通过定位小车来控制船舶横向的运动，增强了通航船舶侧向的控制能力，使得通航过程更加安全，并且可以依靠定位小车来对船舶的速度进行控制，船舶速度过快可通过定位小车提供反向力来使得船舶减速，达到了提升通航效率的目的。对于曳引系统方案的可行性，进行了通航模拟分析，对通航船舶在通航过程中的各状态进行了分析研究，曳引系统工作可靠性很强，新增定位小车使得曳引系统的性能得到了提升，达到了预期的效果。

关键词：通航隧洞；曳引系统；定位小车

ABSTRACT

With the increase of China's strength, the navigation capacity of ships is also increasing day by day, and higher requirements are put forward for navigation equipment and systems such as docks and navigation tunnels. In order to improve the efficiency of ship navigation and ensure the safety of navigation, the traditional traction system has been reformed. The traditional traction system has only traction trolley in the aspect of towing ship Collision at the hole.

The new traction system controls the lateral motion of the ship by locating the trolley, enhances the lateral control ability of the navigable ship, makes the navigation process more safe, and can rely on the positioning trolley to control the speed of the ship. For the feasibility of the traction system scheme, the navigation simulation analysis is carried out, and the states of the navigable ship in the course of navigation are analyzed and studied. The traction system has strong working reliability, and the performance of the traction system has been improved by the new positioning trolley, and the expected effect has been achieved.

Key Words: Navigation tunnel; Traction System; Positioning trolley

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1国内外研究现状 1

1.2研究的目的与意义 2

1.3本文的主要工作内容 2

第2章 设计曳引系统方案 4

2.1曳引系统工作原理 4

2.2曳引系统总体设计方案 4

2.2.1曳引系统方案图 4

2.2.2曳引系统工作流程 6

2.2.3主要零部件设计要求 7

2.3本章小结 7

第3章 曳引系统主要部件的选型 8

3.1小车与引船导轨的设计 8

3.1.1小车动力能源的选择 8

3.1.2小车的设计 8

3.1.3选定引船轨道类型、材料 10

3.2牵引绞车方案选择 12

3.3齿轮和轴承的计算选择 14

3.3.1齿轮材料、齿数及类型的选定 14

3.3.2齿轮齿条传动尺寸的计算 15

3.3.3轴承的方案选择 18

3.4本章小结 19

第4章 曳引系统方案合理性验证 20

4.1通航模拟分析 20

4.2曳引系统方案总结 23

第5章 总结与展望 25

5.1总结 25

5.2展望 25

参考文献 27

致谢 28

绪论

1.1国内外研究现状

中国目前已经建造了多座30万吨以上的船坞，然而当前船坞的设计和研究主要集中在水功结构、施工技术等方面，却对船舶引船系统方面研究甚少。传统的引船系统主要应用在船舶进出船坞时，船坞两端分别安装绞车、导轨和牵引小车，船舶行驶到停靠区域停止前行，人工将小车上缆绳的另一端固定在船舶上，然后绞车通过钢丝绳拉小车沿轨道行驶，从而通过缆绳牵引船舶前行，达到驶入船坞的目的，船舶离坞时只需要连接另一端绞车运行，便可牵引船舶驶离船坞。目前较为新型的船舶引船系统为机械小车定位引船系统，这个系统主要由牵引小车、定位小车、牵引绳、小车轨道、牵引绞车、动力设备等组成。牵引系统的应用十分的广泛，例如飞机发射、空中加油、水下对接甚至是海底地形勘探。

在20世纪初提出了一种两部分组成的可操作的水下拖曳系统的水动力模型，其中降压器配备可活动的水平和垂直控制表面，并且拖曳的装置连接到主电缆的下端，这样的话当被牵引车以一定的速度被牵引时，也可以在水平和垂直平面上进行操作,这样也减少了主缆绳的上端处的激励的耦合效应以及对牵引车的操作的干扰^[1-2]。国外关于这种系统的最新应用是用于回收自主水下航行器（AUV），这种系统是由一根钢棒，一根电缆和一个稳定机翼所组成的。模拟图如下:

图1. 1

传统的回收方法是在船尾安装回收装置，来对水面上的AUV进行回收，但传统的回收方法已经不能满足现代的要求。佛罗里达大学设计过双体船的自动回收AUV系统，康斯伯格公司也设计过一种通过水下对接来回收AUV的系统，这两种系统都是通过一种柔性电缆来连接到USV上，这样就能抵抗波浪的效应，使得曳引系统的稳定性大大提高^[3-4]。

1.2研究的目的与意义

随着当前我国不断扩大对外开放的政策，尤其是近年来新兴的“一带一路”政策的提出，我国大力发展了航运事业，港口以及船坞的建设也具有了更高的要求，航道也需要具有更好的通航能力，这样才能更好的满足运输要求^[5]。虽然目前许多大型船舶已有碰撞报警系统，但是这种系统只能起到警示作用，当碰撞来临时并不能紧急制动来避免碰撞的发生。曳引系统主要工作原理通过牵引小车来提供通航船舶前行的动力，定位小车和其上的绞车来控制缆绳的长度，从而间接控制船舶的位置，防止船舶和通航隧洞发生碰撞，如果碰撞将要发生时，理论上是可以通过定位小车对船舶施加相反方向的力而阻止碰撞发生^[6]。最初的牵引系统是牵引小车在绞车的作用下牵引船舶，当航向偏离较大时需要使船舶停止前行，然后人为用绞盘去纠正位置，之后再次开始牵引工作，这样就加大了劳动强度、工作难度，使得曳引工作变得复杂繁琐。而新型的定位小车牵引系统由牵引小车牵引前行，定位小车在两侧通航轨道上进行细微调整保证船舶在规定通道上安全航行，省去了人为的调整，减少了船舶通航的困难程度。传统的船舶牵引系统是在隧洞两侧的牵引轨道上各安装一个牵引小车，在两端绞车的牵引下牵引小车带领船舶航行，但是如果航行发生偏移就需要停止运行，然后人为的在两侧的绞盘上进行船位纠正，如果航行效果不好的话需要进行多次纠正，这样会耗费很多没必要的人力物力。然而近年来新兴的横向小车定位是在原有的基础上在两侧添加横向定位车沿着引船轨道由牵引小车对船舶进行牵引，两侧定位小车的作用就是通过其上的绞车控制缆绳的长度，从而使船舶保持沿航道航行，这样就减少了不必要的人为调整提高了工作效率，使得通航成为了一个连续不间断的过程^[7]。

1.3本文的主要工作内容

目前关于此种研究的方法大致分为四种：现场勘测、理论分析、物理模型和数值模拟^[8]。关于这四种方法每一种都有自己独特的优势与劣势。

现场勘测主要依靠专业设备和专业人士进行实体实地观察测量，得到的数据准确性高、可靠性牢，但此种方法仅适合于在比较好操作的实地进行，并不适合于海况恶劣的时候，因为此种情况下想要保证人员和设备的安全性很难。