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(1.中國人民解放軍92267部隊,山東 青島266102;2.武漢第二船舶設計研究所,武漢 430064)

本文所述船塢是船舶維修專用船塢，修建年代已久，配套設備陳舊，原有拖曳系統(tǒng)設備已廢棄多年，目前船舶進出塢靠人工拖帶，費時費力，且存在因指揮、拖纜人員配合不當?shù)仍蚴勾霸谶M出塢過程中與塢壁發(fā)生碰撞，造成船體和船上設備損壞等潛在危險。為了保證船舶進出塢的安全性、快速性及可靠性，根據(jù)船塢使用和改造要求，該系統(tǒng)在船塢原有設施的基礎上，通過增設塢尾牽引絞盤,加裝牽引軌道和牽引小車，實現(xiàn)船舶進出船塢由人力牽引改為機械牽引，減少操作人員的工作強度，保障船舶安全可靠快速進出船塢。

1 系統(tǒng)主要功能

1)牽引各類船舶進出船塢。通過本系統(tǒng)在塢尾設置的2臺牽引絞盤牽引船舶進塢，待船舶在塢內完成維修等任務后，由塢口原有牽引絞盤牽引船舶出塢。

2)防碰。通過控制定位小車與船舶之間定位纜繩的長度，限制船舶在塢內搖擺運動的幅度，防止船體與船塢發(fā)生碰撞。

2 設計方案

引船防護系統(tǒng)加裝設計不同于新建船塢[1-2]拖曳系統(tǒng)的設計，改造受船塢原始條件和諸多不確定因素限制[3]，引船防護系統(tǒng)中牽引計算、強度計算和軌道安裝等幾個問題處理是否科學合理不僅影響系統(tǒng)設計的經濟性，而且還關系到系統(tǒng)工作的安全性和可靠性[4]。

2.1 總體方案

整個系統(tǒng)由牽引絞盤、軌道、軌道小車、塢門處的輔助牽引絞盤、手動纜繩收放小車和控制系統(tǒng)等組成，軌道小車分牽引小車和定位小車，拖船進出船塢的一對小車稱作牽引小車，其余用于限制船體大位移橫向搖擺運動的4臺小車稱作定位小車，即系統(tǒng)拖船進塢時，最靠近塢尾牽引絞盤的兩臺軌道小車稱作牽引小車，其余4臺軌道小車稱作定位小車，系統(tǒng)拖船出塢時，最靠近塢口原有牽引絞盤的一對軌道小車稱作牽引小車，其余4臺軌道小車稱作定位小車。見圖1。

圖1 引船進出塢系統(tǒng)組成示意

船舶準備進塢時，6臺軌道小車并排停留在船塢塢口第一段軌道上，準備進塢的船舶借助拖船在塢口進行對中，然后將牽引纜繩綁于船艏帶纜樁上，系統(tǒng)開始工作，塢尾處的兩臺牽引絞盤同步工作帶動2臺牽引小車在軌道上同步運動，從而牽引船舶進塢，隨后2對定位小車參與工作，通過定位纜與船體連接，保證船體在船塢中的位置，限制船體大幅度擺動，避免船舶與塢壁發(fā)生碰撞，當船舶即將運動到預定位置時，塢口處的原有牽引絞盤及系纜樁參與剎車工作，使船舶進塢的速度逐漸降低，直至船體停泊在預定位置。 船舶出塢過程與進塢過程相反，船舶通過塢口原有絞盤拖帶出塢，定位小車依然保持與船體相連，控制船體在塢內位置，直至船舶被拖帶出船塢。

2.2 牽引計算

2.2.1 計算模型

引船進出塢系統(tǒng)的牽引過程是一個復雜的受力問題，計算中假設牽引系統(tǒng)勻速工作，并且假定各纜繩剛性連接，引船進出塢系統(tǒng)的牽引計算模型見圖2。

圖2 牽引計算模型

根據(jù)船舶進塢防護工作需要，θ=20°～45°，β=20°～45°。

根據(jù)小車與船體的相對位置關系，以圖3和圖4作為定位纜和牽引纜內力計算的空間位置關系示意圖。圖3中A為定位小車；G為船體上的系纜點。圖4中B為牽引小車，H為船體上的系纜點。

圖3 定位纜空間受力示意

圖4 牽引纜空間受力示意

2.2.2 定位纜受力分析

設每個定位小車所受摩擦力為F1f，則定位小車勻速前進時T2在X方向上的分力與之平衡，即

F1x=T2x=T2cosαsinβ

(1)

根據(jù)摩擦力計算公式得

F1x=μ(T2y+T2z+G車)

(2)

因此，

(3)

當潮位一定時，BF和FG均為常數(shù)，即γ為常數(shù)，在計算區(qū)間β=0[0,π/2]內，α和T2均為β的減函數(shù)，因此當β=30°的時候T2取最大值，此時，α=artan (tanγcosβ)。

2.2.3 牽引纜受力分析

船舶勻速進塢過程中，船舶受力平衡，根據(jù)船舶在X方向的受力平衡,則有

mT1x=R+nT2x

(4)

式中：m，n——牽引小車和定位小車數(shù)量。

因此可得牽引纜內力為

(5)

考慮左右舷2臺牽引小車牽引的不確定性，牽引纜內力取一不平衡系數(shù)k，

(6)

當潮位一定時，BF和FG均為常數(shù)，即ω為常數(shù)，在計算區(qū)間θ=[0,π/2]內，φ和T1為θ的增函數(shù)，因此當θ=45°時T1取最大值。

2.2.4 主牽引纜受力分析

系統(tǒng)工作時，牽引小車勻速前進，牽引小車受力平衡，根據(jù)牽引小車在X方向的受力平衡則主牽引纜內力為

T=T1x+F2x=T1cosθcosφ+μ(T1sinθcosφ+T1sinφ+G車)

(7)

2.3 軌道設計

軌道采用分段設計，按長度共分為三種形式，分別為2.3 m軌道、5.0 m軌道和5.6 m軌道，其中5.6 m的軌道用在下塢口上方，其余全采用5.0 m軌道進行敷設，在兩個下塢口之間不足5.0 m的地方用2.3 m軌道進行敷設，保證船塢每側軌道連續(xù)完整。

為了滿足強度和穩(wěn)性要求，三種形式的軌道均采用箱形結構，分別使用8、10、12和16 mm厚的船用鋼板制造。其中軌道底部水平板為16 mm，頂部水平板為12 mm，兩側立板為10 mm，內部加強板和外側肘板等為8 mm。側立板和底部水平板之間通過肘板加強，底部水平板開有圓孔，通過螺栓與軌道基礎連接，軌道端面設有連接止口，便于敷設時對接，保持整體平整。典型軌道截面見圖5。

圖5 典型軌道截面示意

為保證軌道的連續(xù)性，下塢口段也必須敷設軌道，但在塢修過程中又要方便人員正常通行，因此下塢口段軌道需設計成可拆卸形式，方便安裝和拆卸。設計中延伸軌道底板，使該段軌道整體扣在下塢口上，僅在軌道兩端和在岸邊一側采用壓板固定，在牽引系統(tǒng)工作前利用船塢塔吊安裝在下塢口上，塢修開始后再利用塔吊將軌道吊卸放在岸邊，下塢口段軌道截面見圖6。

圖6 下塢口段軌道截面示意

2.4 小車設計

軌道小車共有6臺，分牽引小車和定位小車，兩者的結構完全相同，僅在使用時的功能有所不同。

每臺軌道小車均由車架、帶纜樁、前后牽引繩座、上走輪、下走輪、側向壓緊輪和可調節(jié)下壓緊輪組成。軌道小車為整體的箱形結構，通過可調節(jié)壓緊輪，使所有滾輪與軌道接觸，軌道小車能在軌道上自由滑動，滿足船舶在進塢過程中的牽引和定位要求，每臺軌道小車重900 kg，外形尺寸為1 726 mm×720 mm×980 mm。

2.5 操控系統(tǒng)

操控系統(tǒng)是船塢牽引設備改造的一個重要組成部分。牽引絞盤的工作采用了三種控制方式，即本地控制、遠程控制和無線控制。該操控系統(tǒng)主要由1臺電氣控制柜、2臺便攜操作儀和2臺無線控制器組成，其中電氣控制柜為該控制系統(tǒng)核心控制單元，同時提供整個系統(tǒng)的配電，柜內的PLC主控單元負責整個系統(tǒng)主要設備的動作、連鎖以及設備狀態(tài)指示；2臺便攜操作儀負責2臺新增絞盤的遠程操作；2臺無線控制器負責2臺新增絞盤的無線操作。三種工作方式通過電氣控制柜控制面板的操作方式開關進行切換。

2.5.1 本地控制

本地控制是通過電氣控制柜的控制面板進行操作的一種控制方式。該控制方式，操作人員距離絞盤較近，方便觀察絞盤工作情況，可隨時與絞盤收放纜人員進行互動，但不便于觀察牽引小車的運行狀況。該控制方式宜在牽引船舶出塢的過程中或無線控制故障時采用。

2.5.2 遠程控制

遠程控制是通過便攜操作儀進行操作的一種控制方式，工作時通過帶航插的電纜將便攜操作儀與電氣控制柜進行連接。該控制方式操作比較靈活，宜在絞盤調試和船舶在塢內運動時采用。

2.5.3 無線控制

無線控制是通過無線遙控器進行操作的一種控制方式。采用該控制方式時，操作人員可在全船塢范圍內進行操作，尤其在系統(tǒng)工作初期，船舶剛剛進入船塢階段，操作人員可在塢口進行操控，方便與船上及岸上指揮人員進行互動。

2.6 軌道安裝措施

2.6.1 鉆孔和風化層處理

為了減小螺栓錨固對牛角的損傷，螺栓的錨固孔采用靜壓法施工，具體施工采用水鉆鉆圓孔，孔徑不小于50 mm，并對光順的圓孔進行加糙處理，并盡量避開鋼筋，另外，船塢修建多年，在牛角上下表面部分水泥已風化剝落，在鉆孔結束后去掉牛角被風化的水泥保護層，將松散和脫落的混凝土渣清理干凈，灑水保養(yǎng)。鉆孔處理后的牛角基礎見圖7。

圖7 牛角鉆孔截面示意

2.6.2 螺栓錨固與軌道安裝

螺栓錨固采用專用工裝限位和保證精度。螺栓按要求固定好以后，采用比牛角混凝土高一級以上的微膨脹細沙混凝土澆灌螺栓孔，加固預埋螺栓，同時通過專用工裝施加預緊應力，以免灌漿水泥塊在軌道安裝調試過程中被拉松動；另外，根據(jù)軌道安裝要求，在灌漿過程中微調預埋螺栓的定位精度；最后待灌漿水泥固化后按要求安裝調試軌道，典型軌道安裝截面見圖8。

圖8 軌道安裝典型截面示意

2.7 強度計算

強度計算時，將軌道強度計算和牛角強度計算同時進行。通過牽引計算可知，牽引纜的內力遠大于定位纜的內力，相應的牽引小車作用在軌道和牛角基礎上的力也遠大于定位小車作用在軌道和牛角基礎上的力。在進行強度計算時，取牽引小車作用在軌道上的力作為計算外力。另外，對于軌道而言，小車前進方向的載荷對其影響相對較小可以不計，計算時首先建立一平面模型，將牽引小車所受橫向和垂向載荷轉換到軌道上，并保證所有車輪與軌道為壓力作用，否則改動約束重新計算。

2.7.1 計算模型

根據(jù)軌道分段長度建立有限元模型，牛角基礎長度取5 m，寬度取2.49 m，整個有限元分析模型采用分離式的三維模型。即混凝土單元用具有混凝土性質的SOLID65單元，該單元可以較真實地模擬混凝土材料在受力過程中的真實情況，包括塑性和徐變引起的材料非線性、大位移引起的幾何非線性、混凝土的壓碎和開裂引起的復雜的非線性等多種混凝土的材料特性；固定螺栓和鋼筋單元采用LINK8空間三維桿單元?；炷疗茐臏蕜t采用William-Wamke5參數(shù)強度準則，其中混凝土的開裂裂縫剪力傳遞系數(shù)和閉合裂縫剪力傳遞系數(shù)分別取為0.3和0.5，開裂后剛度折減系數(shù)取為0.6；屈服準則采用多線性隨動強化模型(MKIN)；裂縫模型采用片狀裂縫模式；鋼筋采用雙線性隨動強化模型(BKIN)。計算時軌道底面與基礎之間的連接采用接觸算法，摩擦系數(shù)取μ=0.45。有限元計算網(wǎng)格模型及載荷加載部位見圖9。

圖9 有限元計算網(wǎng)格模型及載荷加載部位

2.7.2 計算結果

為了選取合適的軌道安裝距邊距離，選取軌道距邊距離為600、700、800 mm三種情況分別進行計算。

1)軌道中心線距邊距離發(fā)生改變時，將會對基礎位移和基礎應力產生影響。軌道中心線距離基礎邊界的距離由600 mm變?yōu)?00、800 mm時，其基礎位移相應地從大變小，由0.920 mm變?yōu)?.795 mm、0.662 mm，基礎拉應力也由大變小，由0.868 MPa，變?yōu)?.858、0.692 MPa。

2)連接螺栓所受的預緊力發(fā)生改變時，也將會對基礎和軌道產生影響，主要表現(xiàn)在對基礎拉應力上。預緊力較大時，基礎拉應力和軌道應力最大值均發(fā)生在螺栓連接處；而預緊力較小時，基礎拉應力最大值發(fā)生在螺栓連接處，軌道應力最大值發(fā)生在車輪與軌道的接觸處。根據(jù)計算，螺栓桿的初始變形宜取1.6 mm，相當于在螺栓上加載預緊力為114 kN。

3)軌道中心距邊距離為700 mm時，軌道變形和位移以及混凝土基礎的變形和位移均滿足強度設計要求，計算結果見圖10。

圖10 軌道中心距邊距離為700 mm時強度計算結果

該偏移情況下，軌道安裝和工程整體改造工作難度較小，軌道中心距邊距離根據(jù)強度計算結果可定為700 mm。

3 結論

本船塢引船防護系統(tǒng)設計方案施工難度小，改造費用低。系統(tǒng)改造完成后投入使用已有1年有余，系統(tǒng)工作穩(wěn)定正常，設備運行安全可靠、操作簡便，極大地提高了船塢的作業(yè)效率和經濟效益。

[1] 國防科學技術工業(yè)委員會.CB/T8524-2011干船塢設計規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2011.

[2] 顧倩燕.船塢工程結構設計技術創(chuàng)新與實踐[J].水運工程，2011，449(1)：75-86.

[3] 莫 里，譚汝豪，曹亞堂.“飛龍山”浮船塢的加長改造[J].廣東造船，2008(1):54-57.

[4] 中國船舶工業(yè)總公司.CB/T3677-1995船舶進出干船塢技術要求[S].北京：中國標準出版社，1995.