阅读说明：本技术 一种环保型船舶过洞方法及在该方法中使用的电动拖轮 (Environment-friendly ship hole-passing method and electric tugboat used in method ) 是由 王启行 王可 熊绍钧 于庆奎 方杨 王蒂 孔剑 于 2019-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种环保型船舶过洞方法及在该方法中使用的电动拖轮。所述环保型船舶过洞方法具体使用电动拖轮拖动船舶穿过隧洞,所述电动拖轮由电力驱动,待船舶行驶至隧洞进口处,将船舶的发动机关闭,并将船舶与电动拖轮的系缆连接,并通过尾部的夹持机构将船头夹持固定,以不大于0.5m/s驶入隧洞,在船舶进入隧洞后,以不大于2.0m/s的速度前进,并在船艏驶出隧洞后开始减速,直至速度降为0.5m/s以下,将被拖船舶牵引至700m段的待泊区指定位置后,将电动拖轮与被拖船舶解绑,完成船舶过隧洞的过程。本发明解决了现有船舶在通过隧洞时,发动机排放的尾气会对洞内环境造成影响,并存在消防安全隐患,危害船员的身体健康的问题。(The invention provides an environment-friendly ship hole-passing method and an electric tug used in the method. The environment-friendly ship passing method specifically comprises the steps of dragging a ship to pass through a tunnel by using an electric tug which is driven by electricity, closing an engine of the ship when the ship runs to an entrance of the tunnel, connecting the ship with a mooring rope of the electric tug, clamping and fixing a bow of the ship by a clamping mechanism at the tail of the ship, driving the ship into the tunnel at a speed of not more than 0.5m/s, advancing the ship at a speed of not more than 2.0m/s after the ship enters the tunnel, starting to decelerate after the bow of the ship is driven out of the tunnel until the speed is reduced to be below 0.5m/s, dragging the ship to a 700m section of parking area to be positioned, unbinding the electric tug and the dragged ship, and completing the process of the ship passing through the tunnel. The invention solves the problems that when the existing ship passes through a tunnel, tail gas discharged by an engine can affect the environment in the tunnel, and fire safety hidden dangers exist and the health of crews is damaged.)

一种环保型船舶过洞方法及在该方法中使用的电动拖轮

技术领域

本发明涉及到航运领域和水利水电工程领域，更加具体来说是一种环保型船舶过洞方法及在该方法中使用的电动拖轮。

背景技术

在某船闸的设计中，为减少土建开挖工程量，在船舶进入船闸之前，需要经过一段隧洞，隧洞段长度1800m，为双线隧洞、双线通航；隧洞段航槽净宽25.0m，最低通航水位145.00m，最高通航水位175.00m；航槽底高程134.00m，航槽顶高程181.00m，最小坎上水深11.00m；洞内适航船舶最大代表船型尺度为：130m×22m×5.5m(总长×型宽×吃水，下同)，最小船型尺度为：55m×11m×2.6m；单条隧洞内不考虑双船并行，船舶过洞时前后安全距离200m，船舶过洞速度≤2.0m/s，最大代表船型满载以最大过洞速度行进时的航行阻力≤180kN。

船舶在通过隧洞时，如果继续开启船舶发动机，发动机排放的尾气会对洞内环境造成影响，而隧洞较长，尾气不易排出，存在消防安全隐患，危害船员的身体健康。

发明内容

本发明根据现有技术的不足提供一种环保型船舶过洞方法及在该方法中使用的电动拖轮，该方案使用一种特殊定制的电动拖轮全程牵引船舶通过隧洞，不会排放尾气，对环境没有污染，降低对船上人员身体健康的危害，可以大大降低消防隐患。

为了达到上述技术目的，本发明提供的技术方案为：所述一种环保型船舶过洞方法，其特征在于使用电动拖轮拖动船舶穿过隧洞，所述电动拖轮由电力驱动，其具体过程如下：

(1)待船舶行驶至隧洞进口处，将船舶的发动机关闭，并将船舶与电动拖轮的系缆连接，其电动拖轮尾部设有船舶夹持机构，并通过尾部的夹持机构将船头夹持固定；

(2)控制电动拖轮以不大于0.5m/s驶入隧洞，并在电动拖轮主体的两侧对称设有限位臂，限位臂通过油缸控制其伸缩，在电动拖轮驶入隧洞后通过油缸控制限位臂伸开，使电动拖轮及船舶位于航槽中心线上；

(3)在船舶进入隧洞后，拖轮牵引船舶以1m/s～2m/s的速度前进，并在船艏驶出隧洞后开始减速，直至速度降为0.5m/s以下，将被拖船舶牵引至 700m段的待泊区指定位置后，将电动拖轮与被拖船舶解绑，完成船舶过隧洞的过程。

本发明较优的技术方案：步骤(3)与船舶解绑后的电动拖轮直接在待泊区掉头，作为船舶行驶方向相反的上行或下行船舶牵引船，牵引待过洞船舶再次过隧洞。

本发明进一步的技术方案：所述电动拖轮的采用蓄电池供电驱动，蓄电池供电主要由动力电池系统、直流配电板、直流驱动系统组成；直流配电板分别连接动力电池系统和直流驱动系统，实现动力电池和逆变柜的保护；动力电池系统包括蓄电池组和电池充放电控制柜，蓄电池组通过电池充放电控制柜连接到直流配电板，电池充放电控制柜对蓄电池组的充放电进行控制；直流驱动系统包括推进控制柜、日用供电柜、推进电机，推进控制柜直接与直流配电板连接，对推进电机进行转速控制，实现电动拖轮的推进工作，日用供电柜通过逆变电源柜与直流配电板连接，由逆变电源将直流电逆变成三相交流后通过日用供电柜提供电动拖轮的日常用电。

本发明进一步的技术方案：所述步骤(1)中设置在电动拖轮尾部的船舶夹持机构是由对称设置在电动拖轮尾部的两个夹持臂组成，每个夹持臂包括连杆机构、驱动油缸、橡胶导轮和橡胶夹持部，连杆机构其中一端铰接在拖轮本体上，橡胶导轮安装在连杆机构的另一端，橡胶夹持部通过支架安装在连杆机构的中部，通过驱动油缸的作用，调整橡胶导轮和橡胶夹持部的位置，使橡胶导轮在航槽侧壁上进行导向限位，使橡胶夹持部夹持被拖船舶的船艏。

本发明进一步的技术方案：所述步骤(2)中在电动拖轮主体两侧对称设有2～4组限位臂，每个限位臂是由连杆机构、驱动油缸、橡胶导轮组成，连杆机构一端通过铰接的方式连接在拖轮本体上，另一端通过橡胶导轮在航槽侧壁上进行导向限位，连杆机构通过铰接的方式连接在电动拖轮本体上，连杆机构通过驱动油缸的作用，调整橡胶导轮位置，使橡胶导轮在航槽侧壁上进行导向限位。

本发明较优的技术方案：在电动拖轮尾部设有2套电动绞盘，通过牵引缆绳与被拖船舶船艏的系缆装置连接，电动绞盘可调整两绳的长度和张力。

为了实现上述技术方案，本发明提供的一种用于环保型船舶过洞方法的电动拖轮，其特征在于：所述电动拖轮包括拖轮本体和设置在拖轮本体内的动力装置，在拖轮本体尾部设有船舶夹持机构和电动绞盘，在拖轮本体的两侧对称设有多组限位机构；所述船舶夹持机构包括对称设置拖轮本体尾部的左夹持臂和右夹持臂，所述左夹持臂和右夹持臂均是由多根连杆铰接而成，其临近拖轮本体的第一连杆与拖轮本体铰接，在每个夹持臂的自由端连杆外侧设有第一限位轮，且在每两个相邻的连杆之间均设有第一油缸，并通过多个第一油缸控制夹持臂伸缩使第一限位轮在航槽侧壁上进行导向限位，在每个夹持臂的连杆中部内侧设有夹持部，所述夹持部通过支撑杆与夹持臂铰接，并在支撑杆与夹持臂之间设有第二油缸，通过第二油缸控制夹持部对船舶夹紧；每组限位机构是由两个对称设置在拖轮本体两侧的限位臂组成，每个限位臂是由至少两根连杆铰接而成，限位臂与拖轮本体铰接，并在限位臂铰接拖轮本体的连杆与拖轮本体之间设有第四油缸，在每个限位臂的自由端连杆外侧设有第二限位轮，并在相邻两根连杆之间设有第三油缸，在第三油缸和第四油缸的控制下带动限位臂的至少两个连杆伸缩使第二限位轮在航槽侧壁上进行导向限位；所述电动绞盘固定安装在拖轮本体上，并在牵引船舶时，通过牵引缆绳与被拖船舶船艏系缆装置连接；所述动力装置包括蓄电池供电系统、直流配电板、日用供电系统和推进系统，蓄电池供电系统通过直流配电板分别与日用供电系统和推进系统连接，日用供电系统包括逆变电源柜和交流配电板，交流配电板通过逆变电源柜与直流配电板连接；推进系统包括推进控制柜和推进电机，直流配电板直接与推进控制柜连接，并通过推进控制柜实现推进电机推进工作的控制。

本发明较优的技术方案：所述动力装置包括两套蓄电池供电系统、两套推进系统和两个逆变电源柜，所述直流配电板内装有两组直流母排，两组直流母排之间设有隔离开关，每组直流母排与其中一组蓄电池供电系统、一套推进系统和一个逆变电源柜连接，所述交流配电板内装有两组交流母排，两组交流母排之间设有隔离开关，每个逆变电源柜连接其中一组交流母排；每套蓄电池供电系统包括设置在拖轮本体电池舱内的多个电池柜和电池充放电控制柜，每个电池柜设置成多层货架结构，每个电池柜内串联有多个蓄电池模块，多个电池柜之间通过电池充放电柜并联连接到直流配电板上。

本发明较优的技术方案：所述电动绞盘设有两个，对称设置在拖轮本体上；所述推进电机采用三相异步电机驱动全回转舵桨进行动力输出，电机由推进控制柜进行变频驱动。

本发明较优的技术方案：所述第一限位轮和第二限位轮均为橡胶轮，所述每个夹持臂和限位臂的自由端连杆均为伸缩油缸，且第一限位轮和第二限位轮分别安装在夹持臂和限位臂自由端伸缩油缸的活塞杆端部，并可通过伸缩油缸控制其伸缩；所述支撑杆也为伸缩油缸，其夹持部安装在伸缩油缸的活塞杆端部，其夹持面为平面或弧形面，并在夹持面设有橡胶垫层。

本发明的电动拖轮还配套设有液压控制系统，为常规控制油缸伸缩的液压系统，主要用于控制每个油缸的伸缩。

本发明中的电动拖轮采用蓄电池供电，被牵引船舶在隧洞内发动机保持停机状态，根据隧洞布置、长度、通过的代表船型等条件，单条隧洞最大同时通过船只数量为5艘，双线隧洞最大考虑10艘拖轮同时工作，考虑满负荷工作，另备10艘作为备用(充电与工作交替)。电动拖轮牵引船舶通过隧洞时，拖轮位于被牵引的船舶船艏，通过两根缆绳与船舶连接、牵引，电动拖轮尾部可开合调整的限位装置将被牵引船舶船艏夹持定位，在隧洞进、出口处两侧闸墙上沿高度方向设置数组转动式橡胶导轮护舷，可在锚地或待泊区等适当的区域设置电动拖轮充电泊位。

本发明中的电动拖轮实际就是现有的拖船，用来拖曳没有自航能力的船舶、木排或协助大型船舶进出港口、靠离码头，或作救助海洋遇难船只的船舶。拖船没有装载货物的货舱，船身不大，但装有大功率的推进主机和拖曳设备，具有“个子小、力气大”的特点。拖船分海洋拖船、港作拖船和内河拖船。而本发明中的拖轮本体可以直接采用现有拖船的结构，其动力设备采用电动动力设备。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用电动拖轮全程牵引船舶通过隧洞，不会排放尾气，对环境没有污染，消除了对船上人员身体健康的危害，大大降低了消防隐患；

(2)本发明在拖轮船舷外侧根据布置需要设置2～4组由油缸调整的限位装置，拖轮限位装置主要由连杆机构、驱动油缸和限位臂末端橡胶导轮组成，连杆结构一端通过铰接的方式连接在拖轮本体上，另一端通过橡胶导轮在航槽侧壁上进行导向限位，连杆机构通过驱动油缸的作用，调整橡胶导轮的位置，使橡胶导轮在航槽侧壁上进行导向限位，对电动拖轮进行限位，确保拖轮本体在通过隧洞时能够沿着航槽前进；

(3)拖轮艉部设有1组油缸驱动开合式限位装置，该装置由连杆结构、驱动油缸、橡胶导轮、橡胶夹持部等部分组成。连杆结构通过铰接的方式连接在拖轮本体上，连杆机构通过驱动油缸的作用，调整橡胶导轮和橡胶夹持部的位置，使橡胶导轮在航槽侧壁上进行导向限位，使橡胶夹持部夹持被拖船舶船艏定位，避免船舶跑偏。

附图说明

图1是本发明的船舶过隧洞的示意图；

图2是本发明中的电动拖轮的结构示意图；

图3是本发明中电动拖轮尾部夹持臂的结构示意图；

图4是本发明中电动拖轮两侧限位机构的结构示意图；

图5是本发明中电动拖轮的电控原理图。

图中：1—拖轮本体，2—动力装置，3—电动绞盘，4—左夹持臂，4-1 —第一连杆，4-2—自由端连杆，5—右夹持臂，6—支撑杆，7—第一油缸，8—第一限位轮，9—夹持部，10—第二油缸，11—限位臂，12—第二限位轮， 13—第三油缸，14—航槽，15—被牵引船舶，16—牵引绳，17—系缆装置， 18—第四油缸，19—待泊区，20—船闸。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图1至图5均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例中使用的一种用于环保型船舶过洞方法的电动拖轮，具体如图2 所示，包括拖轮本体1和设置在拖轮本体1内的电动动力装置2，在拖轮本体1尾部设有船舶夹持机构和电动绞盘3，所述船舶夹持机构包括对称设置拖轮本体1尾部的左夹持臂4和右夹持臂5，船舶夹持机构用于夹持船舶并能对其进行定位，在拖轮本体1的两侧对称设有两组限位机构，两组限位机构分别设置在拖轮本体1中前部和中后部的位置，每组限位机构是由两个对称设置在拖轮本体1两侧的限位臂11组成，能限定拖轮本体1的前进航线。所述电动绞盘3设有两个，对称安装在拖轮本体1上，并在牵引船舶时，通过牵引缆绳16与被牵引船舶15船艏的系缆装置17连接。

实施例中电动拖轮的左、右夹持臂4、5如图2和图3所示，均是由三根连杆铰接而成，其临近拖轮本体1的第一连杆4-1与拖轮本体1铰接，在夹持臂的自由端连杆4-2外侧设有第一限位轮8，且在每两个相邻的连杆之间均设有第一油缸7，并通过两个第一油缸7控制夹持臂伸缩使第一限位轮 8在航槽14侧壁上进行导向限位；并在夹持臂中部连杆内侧设有设有夹持部 9，所述夹持部9通过支撑杆6与夹持臂铰接，支撑杆6一侧设有第二油缸 10，通过第二油缸10控制支撑杆6与夹持臂之间的角度，从而确保夹持部9 能够对船舶进行夹紧。实施例中电动拖轮的每个限位臂11如图4所示，是由两根连杆铰接而成，限位臂11与拖轮本体1铰接，并在限位臂11铰接拖轮本体1的连杆与拖轮本体1之间设有第四油缸18，在限位臂11的自由端连杆外侧设有第二限位轮12，并在相邻两根连杆之间设有第三油缸13，在第三油缸13和第四油缸18的控制下带动限位臂11的至少两个连杆伸缩使第二限位轮12在航槽14侧壁上进行导向限位。本实施例中所述第一限位轮 8和第二限位轮12均为橡胶轮，所述每个夹持臂的自由端连杆4-2和限位臂 11的自由端连杆均为伸缩油缸，且第一限位轮8和第二限位轮12分别安装在夹持臂自由端连杆4-2和限位臂11自由端伸缩油缸的活塞杆端部，并可通过伸缩油缸控制其伸缩，调整第一限位轮8和第二限位轮12与航槽14之间的间距；所述支撑杆6也为伸缩油缸，其夹持部9安装在伸缩油缸的活塞杆端部，其夹持面为平面或弧形面，并在夹持面设有橡胶垫层，可以通过伸缩油缸来调整夹持部9的夹持松紧。在拖轮本体1上还配套设有液压控制系统，包括液压泵、液压管路和控制系统，液压泵提供液压动力，由控制系统对第一油缸7、第二油缸10、第三油缸13、第四油缸18，以及第一限位轮8、第二限位轮12和夹持部与连杆连接的伸缩油缸进行控制，分别控制左、右夹持臂4、5以及限位臂11的伸缩，并可以控制夹持部9的夹紧松开。

本实施中的电动拖轮通过电动动力装置2进行推进工作，其电动动力装置2包括两套蓄电池供电系统、两套推进系统和两个逆变电源柜，如图5 所示，所述直流配电板内装有两组直流母排，两组直流母排之间设有隔离开关，每组直流母排与其中一组蓄电池供电系统、一套推进系统和一个逆变电源柜连接，所述交流配电板内装有两组交流母排，两组交流母排之间设有隔离开关，每个逆变电源柜连接其中一组交流母排，两套蓄电池供电系统分别与直流配电板的两组直流母排连接，为直流配电板提供直流电源。直流配电板的两组直流母排分别与的两套推进系统和两个逆变电源柜连接，直流配电板内装有直流母排、隔离开关和熔断器，实现动力电池和逆变柜的保护，开关和熔断器的选型满足系统短路电流计算和选择性要求。每套推进系统分别包括推进控制柜和推进电机，直流配电板直接与推进控制柜连接，推进控制柜对推进电机进行转速控制，根据推进遥控系统指令，连续调节电动机的速度，对不同工况下的负载变化进行最佳的动态控制和保护，从而保证推进系统的最佳性能和安全运行，两套推进支路是相互独立的，各自分别从遥控或现地控制单元接受控制命令。两个逆变电源柜分别连接交流配电板内的两组交流母排，通过逆变电源将直流电逆变成三相交流后通过隔离变压器向交流配电板供电，确保电源品质良好。正常情况下，左右舷逆变电源模块独立运行，不具备并联运行功能，单侧电源逆变器满足全船日用负荷的需求，当一侧逆变回路故障时，可以合上交流配电板的AC400V母联开关，由另一侧的逆变电源向该侧交流母排供电。电源逆变器具有预充电回路，在开关合闸前对柜内直流侧进行预充电，电源逆变器能满足CCS规范对日用负荷供电品质的要求，具有直流母线欠压、输出短路、过载、过流、三相输出不平衡等保护功能。

实施例中每套蓄电池供电系统包括设置在拖轮本体1电池舱内的多个电池柜和电池充放电控制柜，每个电池柜称为一簇电池，由高安全性电池模块串联组成，设置成多层货架结构，货架中每个电池模块安装部位均安装有支撑滚道和导向滚道，可以很方便的实现电池模块的快速更换。动力电池以及系统具有完备的安全性设计，满足CCS规范要求。动力电池系统的设计保证在舱室状态正常的情况下，1个电池单体或1个电池模块热失控状态下，不会引起电池系统热失控，电池组通过电池充放电控制柜连接到直流配电板，电池充放电控制柜对电池组的充放电进行控制，电池充放电控制柜安装在电池舱内。根据船舶航行需求，预计每个电动拖轮需求32～34个标准电池柜，每个电池柜的电池容量约187kWh(187度电)，外形约 570mm×760mm×1600mm(长×宽×高)，采用铝型材支撑，立式底脚螺栓安装；配制两台输入电压DC405V-593V，输出电压DC630V的电池充放电控制柜；设有两套额定电压DC630V的直流配电板，其直流配电板冷却方式自然空冷，采用底部电缆进线，防护等级IP22，外形尺寸 1800mm×600mm×1600mm(长×宽×高)，重量约1500kg；设置两套额定输入电压DC630V的落地式推进控制柜，每个柜体外形尺寸 600mm×600mm×1600mm(长×宽×高)，重量约500kg；日用供电柜设有两台，每台输入电压DC565V-685V，输出电压3AC380V，输出频率50Hz，额定功率100kW，输出额定电流200A，效率(额定功率下)不小于95％，总散热量不大于2kW，外形尺寸不大于500mm×250mm×700mm(长×宽×高)，重量不大于100kg，电源逆变器配置输出滤波器。滤波器安装在输出滤波柜，输出滤波柜散热量不大于1kW，外形尺寸不大于600mm×600mm×800mm(长×宽×高)，重量不大于100kg；推进电机采用三相异步电机驱动全回转舵桨进行动力输出，电机由推进控制柜进行变频驱动，推进电机设有两套，其每套额定输入电压380V，重量1780kg。

某项目船闸规模大，通过船闸及隧洞的船舶吨位大、数量多，同时该项目非常重视生态优先、绿色发展的战略定位，所以船舶通过隧洞的效率和对环境的影响情况显得非常重要。该项目为2线隧洞，其拖轮数量10台工作， 10台备用(充电)；拖轮牵引力180kN，最大牵引速度2m/s，拖轮主机功率 900kW，拖轮供电方式为蓄电池供电，具体采用上述电动拖轮进行牵引过洞，以船舶下行为例，其具体步骤如下：

(1)待船舶行驶至隧洞进口处，将船舶的发动机关闭，然后如图4所示，将电动拖轮通过牵引缆绳16与被牵引船舶15船艏的系缆装置17连接，然后控制船舶夹持机构的左夹持臂4和右夹持臂5将牵引船舶15的船头夹持住，便可开始进行牵引过洞；

(2)控制电动拖轮以不大于0.5m/s驶入隧洞，然后通过液压控制系统控制拖轮本体1两侧的限位臂11张开，两侧限位臂上的第二限位轮12与航槽14侧壁保持适当的间隙，如图1所示，使拖轮及被拖船舶位于航槽14中心线；

(3)在船舶进入隧洞后，拖轮牵引船舶以1m/s～2m/s的速度前进，并在船艏驶出隧洞后开始减速，直至速度降为0.5m/s以下，将被拖船舶牵引至 700m段的待泊区19指定位置后，将电动拖轮与被拖船舶解绑，如图1所示，将与船舶解绑后的电动拖轮直接在待泊区19掉头，作为上行船舶的牵引船，牵引待过洞船舶上行过隧洞。

以上所述，只是本发明的一个实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。