胡飛榮

(江西省港航管理局贛州分局)

1 引言

船舶氣囊下水是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的新型下水技術(shù)，該技術(shù)以其節(jié)省船廠投資成本、對(duì)坡道狀況要求低、不損害船體、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，為中小型船舶企業(yè)發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。但是，對(duì)于中小船廠，由于對(duì)船舶氣囊下水受力分析缺乏較為系統(tǒng)的理論依據(jù)，通常只能憑經(jīng)驗(yàn)估算，這給該工藝造成了一定的安全隱患。本文通過(guò)建立船舶氣囊下水的受力模型，重點(diǎn)根據(jù)滾動(dòng)摩擦機(jī)理建立氣囊滾動(dòng)摩擦力的近似計(jì)算公式，進(jìn)而確定船舶氣囊下水下滑力。并以此論證了一艘1500DWT散貨船氣囊下水工藝的安全性。

2 船舶氣囊下水的受力情況分析

2.1 下水過(guò)程受力分析

船舶在下水過(guò)程中的受力主要有:船體重力、氣囊的支持力、氣囊的滾動(dòng)摩擦阻力、入水部分船體的浮力、絞車(chē)等的牽引力以及水對(duì)船體各種阻力等等。本文為船舶下水工藝設(shè)計(jì)，因此只考慮決定船體下滑運(yùn)動(dòng)的幾種受力，主要有:①船體的重力G，其沿船臺(tái)方向的分力Gsinα構(gòu)成下滑力;②絞車(chē)剎車(chē)時(shí)，船體的慣性力mv/T;③氣囊的滾動(dòng)摩擦阻力f1;④絞車(chē)鋼絲繩的牽引力n·f2(n為絞車(chē)鋼絲繩的根數(shù))。由此建立如圖1所示的船舶氣囊下水的受力模型?？稍诖w基線方向的建立平衡方程(1)

式中的G、船臺(tái)坡度θ以及絞車(chē)放纜速度v可分別從船舶圖紙資料和船廠資料中查閱計(jì)算得到，n為絞車(chē)鋼絲繩的根數(shù)。以下重點(diǎn)分析氣囊的滾動(dòng)摩擦阻力f1的計(jì)算。

圖1 船舶氣囊下水過(guò)程受力圖

2.2 氣囊下水摩擦阻力F1的計(jì)算

船舶使用氣囊下水時(shí)，氣囊為彈性柱體，地面和船底平面可近似作剛體。氣囊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到壓縮應(yīng)力和剪切應(yīng)力的作用而產(chǎn)生彈性形變。彈性滯后損失，就是組成滾動(dòng)摩擦阻力的主要因素。由于彈性滯后現(xiàn)象存在，滾動(dòng)時(shí)消耗功與復(fù)原功之差，可用圓柱體所做的功φ與彈性滯后系數(shù)α的乘積來(lái)表示為αφ，這部分彈性形變能量就造成了滾動(dòng)摩擦阻力

由剛體滾動(dòng)理論可知當(dāng)剛性圓柱體沿彈性基礎(chǔ)滾動(dòng)時(shí)，由接觸區(qū)前部的壓力引起的力矩:

式中:N為圓柱體全長(zhǎng)上的載荷;b為接觸面積的半寬。

將(4)式代入(2)式得:

由滾動(dòng)摩擦系數(shù)的定義便可得到氣囊的滾動(dòng)摩擦系數(shù):

式中:α為彈性滯后損失系數(shù);b為氣囊的接觸面積的半寬;R為氣囊的半徑。

據(jù)有關(guān)資料，α≈3.3a，a為單軸拉伸壓縮試驗(yàn)中對(duì)材料的滯后損失系數(shù)。橡皮的單軸拉伸試驗(yàn)表明a=8％，于是

氣囊的運(yùn)動(dòng)看成是彈性柱體在剛性平面上滾動(dòng)，其滾動(dòng)摩擦機(jī)理與剛性柱體在彈性平面上滾動(dòng)相同。因此，參照剛性柱體在彈性平面上滾動(dòng)摩擦力的分析，氣囊的受壓狀態(tài)簡(jiǎn)化為滾子在水平無(wú)滑動(dòng)的滾動(dòng)，且滾子上面的第二個(gè)平面用載荷N壓住的力學(xué)模型如圖(2)所示。

圖2 受囊受力圖

在工程實(shí)際中，可以假設(shè)上表面的摩擦系數(shù)λ'與等于上表面的摩擦系數(shù)λ，忽略氣囊的自重。由前述分析可得，最小滾動(dòng)摩擦阻力為:

式中:λ為滾動(dòng)摩擦系數(shù);N為氣囊承受的載荷;d為囊的直徑。

3 實(shí)船下水計(jì)算

現(xiàn)用上述公式來(lái)核算一艘1500DWT散裝貨船氣囊下水工藝中設(shè)備的安全性。船舶的主要尺度:總長(zhǎng)72.10m，型寬13.46m，型深4.86m，空船重量 Q=530t，平底長(zhǎng)度L=58m，方形系數(shù)Cb=0.824。船廠坡道較平整堅(jiān)實(shí)，長(zhǎng)度約120m，坡度θ1=8°。鋼絲繩絞車(chē)牽引力為20t，絞車(chē)放纜速度為9m/min。船廠現(xiàn)有氣囊規(guī)格為直徑D=1m、工作高度H=0.24m的中壓氣囊。本船下水工藝首先按照《船舶用氣囊上排、下水工藝要求》(CB/T3837-2011)計(jì)算出所需氣囊個(gè)數(shù)N及校核氣囊布置

本船下水時(shí)采用13個(gè)普通氣囊，氣囊長(zhǎng)10m，直徑1.0m，平均每個(gè)氣囊承載407.69kN，氣囊的充氣工作壓力為0.077MPa。

(1)氣囊的承壓面積

式中:P為單個(gè)氣囊承重量;P1為氣囊的充氣工作壓力。

(2)計(jì)算氣囊接觸面積的寬度S和滾動(dòng)摩擦系數(shù)λ

由式(5)計(jì)算出每個(gè)氣囊的滾動(dòng)摩擦系數(shù)

(3)計(jì)算下水過(guò)程中氣囊總的滾動(dòng)摩擦力F2

由氣囊漏氣造成接觸面積加大、道路不平整等因素，實(shí)際摩擦阻力F1=K·f1，K為條件復(fù)雜系數(shù)，一般K取1.1～1.4。本船K取1.2，計(jì)算出實(shí)際滾動(dòng)摩擦阻力 F1=1.2×313.95=376.74kN。

由式(1)可得到絞車(chē)鋼絲繩牽引力(4道鋼絲繩)

因船廠絞車(chē)的牽引力為20t，即200kN，且采用的鋼絲繩最小破斷力為154kN，經(jīng)核算該工藝滿(mǎn)足設(shè)備的安全使用。

4 結(jié)論

該船實(shí)際下水過(guò)程是安全、成功的，通過(guò)實(shí)踐證明以上的計(jì)算結(jié)果是正確的。船舶氣囊下水技術(shù)及工藝的優(yōu)越性是顯而易見(jiàn)的，隨著相關(guān)技術(shù)和理論的進(jìn)一步成熟，必定能夠使得其應(yīng)用更加安全，更加廣泛。

[1] 船舶用氣囊上排、下水工藝要求(CB/3837-2011)[S].

[2] 高嵐虹，葉家瑋.船舶縱向重力式下水的預(yù)測(cè)模型[J].船舶，2000，(4).

[3] 朱珉虎，孫菊香.船舶氣囊縱向下水計(jì)算方法的研究[J].中外船舶科技，2008(4).