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摘 要：大型全回转起重船一般都需要配置抗横倾系统。如果起重机的操作没有和抗横倾系统进行有效的配合，则在整个全回转起重作业过程中，船舶仍可能会有横倾过大的风险。本文主要研究起重机的操作和抗横倾系统的优化配合，从而保证操作效率和船舶安全。
关键词：全回转;起重机操作;抗横倾系统;自动控制;稳性
中图分类号：U661.4 文献标识码：A
Abstract： Heavy revolving crane vessels generally need to be equipped with an adequate anti-heeling system. If the operation of the crane is not effectively coordinated with the anti-heeling system， there is still a risk that heel angle for vessel exceeds safety range for all revolving lift operation process. To ensure operational efficiency and vessel safety， optimal coordination for crane operation and anti-heeling system are studied in this paper.
Key words： Revolving; Crane operation; Anti-heeling System; Automatic control; Stability
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。
理想的操作模式是：起重機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。
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°。
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。
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，滿足规范要求。
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.
关键词：全回转;起重机操作;抗横倾系统;自动控制;稳性
中图分类号：U661.4 文献标识码：A
Abstract： Heavy revolving crane vessels generally need to be equipped with an adequate anti-heeling system. If the operation of the crane is not effectively coordinated with the anti-heeling system， there is still a risk that heel angle for vessel exceeds safety range for all revolving lift operation process. To ensure operational efficiency and vessel safety， optimal coordination for crane operation and anti-heeling system are studied in this paper.
Key words： Revolving; Crane operation; Anti-heeling System; Automatic control; Stability
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。
理想的操作模式是：起重機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。
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°。
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。
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，滿足规范要求。
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.