朱 彬，鳳岳良

(1.南通潤(rùn)邦海洋工程裝備有限公司，江蘇 南通 226255；2.中國(guó)船級(jí)社江陰辦事處，江蘇 江陰 214431)

船舶氣囊式下水船臺(tái)的形狀研究

朱 彬1，鳳岳良2

(1.南通潤(rùn)邦海洋工程裝備有限公司，江蘇 南通 226255；2.中國(guó)船級(jí)社江陰辦事處，江蘇 江陰 214431)

為了降低中小型船廠的基礎(chǔ)建設(shè)投資成本，通過(guò)對(duì)下水過(guò)程的計(jì)算和分析，提出了氣囊下水船臺(tái)水下部分形狀的設(shè)計(jì)和改造。船臺(tái)設(shè)施和下水工藝的改善，為建造中小型船的船臺(tái)設(shè)計(jì)提供參考，并為建造船舶自重小于2 500 t的船廠在氣囊式下水船臺(tái)設(shè)計(jì)方面提供了理論基礎(chǔ)。

氣囊下水；下水船臺(tái)；下水工藝

0 引言

20世紀(jì)80年代開始，我國(guó)開始研究氣囊下水技術(shù)并應(yīng)用于實(shí)際。該下水技術(shù)的應(yīng)用，使得船舶下水省時(shí)、省力、省成本。但是，目前大多數(shù)船舶下水技術(shù)研究專注于大噸位的船舶下水力學(xué)方面，很少對(duì)船臺(tái)形式、船臺(tái)輔助設(shè)備、工裝方面進(jìn)行研究。本文根據(jù)船舶靜力學(xué)原理[1]，在船臺(tái)形式、船臺(tái)形狀及輔助設(shè)備方面進(jìn)行了探討，對(duì)船舶氣囊下水船臺(tái)方案進(jìn)行計(jì)算和分析，提出了適合氣囊下水的船臺(tái)改造辦法。

1 氣囊下水的船臺(tái)特點(diǎn)

船舶建造船臺(tái)一般分為滑道式、滾珠式、機(jī)械式等3類，以滑道式為主流。這些方式是傳統(tǒng)工藝技術(shù)的代表，也是大型船舶建造企業(yè)必須具備的條件之一。但這些工藝技術(shù)基建費(fèi)用高、維護(hù)成本也較高，對(duì)中小型企業(yè)來(lái)說(shuō)，是一筆不小的投入，提高了船舶建造成本的估價(jià)。氣囊下水船臺(tái)以其低廉的投資，較少的維護(hù)費(fèi)用及低要求的設(shè)計(jì)滿足了船舶下水的要求，并且氣囊的使用可以是重復(fù)性的，從而減少了船舶下水的總費(fèi)用。

氣囊下水船臺(tái)具有低成本、高回報(bào)，低要求、高效率的特點(diǎn)。在該船臺(tái)上實(shí)施船舶下水作業(yè)，準(zhǔn)備時(shí)間短，實(shí)施方便，易于控制。

船臺(tái)面為直線型，水下部分為曲線型。通過(guò)船舶在尾浮時(shí)的狀態(tài)和位置，結(jié)合船廠所建造船舶的大小形式，可確定船臺(tái)水下部分的形式主要有直線型、折線型、圓弧型等3種，其示意圖分別如圖1～圖3所示。

圖1 直線型船臺(tái)

圖2 折線型船臺(tái)

圖3 圓弧型船臺(tái)

2 氣囊式下水船臺(tái)設(shè)計(jì)的考慮因素

2.1 3種船臺(tái)形式的優(yōu)缺點(diǎn)

(1)直線型。該船臺(tái)簡(jiǎn)單易做，但船舶下水時(shí)，需要水下部分較長(zhǎng)，才能有較高的水位使船舶全浮，并且由于只有一種坡度，船舶在船臺(tái)上建造的高度較高； 如果水下部分短，會(huì)造成船滑末端氣囊壓力大而發(fā)生氣囊爆裂事故。

(2)折線型。該船臺(tái)通過(guò)2次或3次折線，可以減少船臺(tái)水面以上的坡度。但這種變坡度的折線型船臺(tái)，在船舶下滑過(guò)程中，氣囊容易因受壓不均勻引起氣囊受損或船底碰撞船臺(tái)面而導(dǎo)致船體損壞。

(3)圓弧型。通過(guò)2次折線過(guò)渡，在折線的水下區(qū)域，計(jì)算出圓弧和直線進(jìn)行過(guò)渡，使該船臺(tái)形式既具有折線型的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又利用曲率的逐步降低，達(dá)到坡度逐漸增加的效果。該形式的船臺(tái)比直線型、折線型有更好的力學(xué)性能，而且氣囊的高度減小較慢，從而使氣囊有更好的支持力[1]。

2.2 氣囊下水工藝分析

氣囊式下水船臺(tái)不需建造滑道，僅需建造好船臺(tái)面基礎(chǔ)即可。根據(jù)重力式下水原理，船臺(tái)可采用坡度設(shè)計(jì)，但坡度不宜太大，需根據(jù)計(jì)算選擇坡度，以船舶具備下滑力的大小及能否有效下滑為前提條件[2]。大船取小值，小船取大值，一般為1/12～1/24[2]，視具體船型而定。

氣囊充氣并達(dá)到規(guī)定的壓力要求后，實(shí)際上，可以將氣囊近似地視為一個(gè)彈性體[3]進(jìn)行受力分析和研究。在船舶下水過(guò)程中的研究分析計(jì)算中，通常將船舶下水分為3個(gè)階段：

(1)船舶下滑到船尾開始入水階段。船舶在船臺(tái)上從靜止?fàn)顟B(tài)到開始下滑，船舶的坡度是下滑力的基礎(chǔ)。船舶在此階段受3個(gè)方向的力：由重力引起的下滑力、氣囊的反力、小車的牽引力。

(2)船尾入水到船尾開始上浮(艉浮)階段。在此階段內(nèi)，除了以上的力之外，船舶還受到水的浮力以及阻力。

(3)船尾開始上浮到船舶全浮階段；此階段內(nèi)，船舶最主要是受船臺(tái)的反力以及水的浮力。

用氣囊下水工藝進(jìn)行船舶下水時(shí)，其整個(gè)下水過(guò)程也可參考此下水3個(gè)階段。在氣囊作為一個(gè)彈性體的條件下，通過(guò)船舶在下水過(guò)程中形成的各類浮態(tài)及靜力學(xué)相關(guān)理論的支撐下進(jìn)行近似的計(jì)算，從而獲得相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和結(jié)果后，再進(jìn)行分析、研究數(shù)據(jù)，并結(jié)合整個(gè)下水的過(guò)程，綜合考慮船廠擬定位建造的船型大小，計(jì)算分析出適合船廠定位建造船舶的船臺(tái)形式。另外，還需結(jié)合長(zhǎng)江潮汐水位差的情況分析船臺(tái)末端適宜的水位。

3 潮位特征分析和選用

根據(jù)國(guó)家海事部門每年所發(fā)布的《XX港潮汐表》預(yù)報(bào)潮位站位置分布情況，確定預(yù)報(bào)潮位。設(shè)計(jì)下水水位根據(jù)該處水文條件確定：年保證率為50%～80%的水位作為設(shè)計(jì)下水低水位；選取高潮10%的潮位作為設(shè)計(jì)下水高水位[4]。

4 氣囊下水船臺(tái)曲線段的確定設(shè)計(jì)實(shí)例

為確保安全下水，氣囊式下水船臺(tái)引入圓弧型設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從2個(gè)方面考慮曲線段：一是通過(guò)下水計(jì)算確定出船臺(tái)水下部分的長(zhǎng)度，二是通過(guò)水下長(zhǎng)度根據(jù)幾何學(xué)原理，計(jì)算出曲線的弧形。根據(jù)以上計(jì)算確定出曲線后，要校核氣囊在運(yùn)行過(guò)程中的壓縮量是否滿足許用壓縮值。

一般的氣囊式下水船臺(tái)屬于半塢式的：船臺(tái)的坡度較小，通常為1/60～1/75之間，并且船臺(tái)的靠水側(cè)一端均低于水平面以下，船臺(tái)與水道之間設(shè)置有塢門。目前下水的方法為：將船舶滑行至預(yù)定地點(diǎn)或位置，待水位上漲船舶全浮后再拖至指定位置。由于氣囊式下水船臺(tái)一般都為簡(jiǎn)易型船臺(tái)，船臺(tái)均用混凝土澆注而成，特別是水下，均為淤泥，很少會(huì)使用混凝土形成水下船臺(tái)部分。在氣囊下水過(guò)程中，由于接觸面不平，導(dǎo)致氣囊受壓不均，從而發(fā)生引起損壞氣囊，甚至損壞船體外殼板的事故。

結(jié)合實(shí)船的下水計(jì)算分析，找出一個(gè)解決實(shí)際氣囊下水船臺(tái)設(shè)計(jì)的辦法。本文通過(guò)實(shí)際船型——海工輔助支持船的計(jì)算和分析，用于驗(yàn)證該船臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。該船的主要參數(shù)為：

船型

海工輔助船

總長(zhǎng)

70.7 m

垂線間長(zhǎng)

63 m

型寬

16.0 m

型深

7.2 m

結(jié)構(gòu)吃水

6.2 m

方形系數(shù)

0.71

下水重量

2 200 t

(1)通過(guò)靜水力學(xué)、邦戎表計(jì)算出船舶下水時(shí)各階段的受力、浮態(tài)和滑行距離等數(shù)據(jù)以及艉浮、全浮時(shí)的滑行距離作為所建造船臺(tái)長(zhǎng)度的參考值(在此不作描述)。2次折線的坡比區(qū)域?yàn)?/15～1/20之間[1]。經(jīng)下水計(jì)算后，得出實(shí)船設(shè)計(jì)下水水位為2.43 m(以85國(guó)家高程為基準(zhǔn)面)，整個(gè)水下滑行長(zhǎng)度為60 m。考慮到所建船舶的船型定位情況，取 65 m作為最終的水下船臺(tái)長(zhǎng)度。

(2)圓弧段的幾何圖形如圖4所示。圖中，根據(jù)幾何學(xué)原理，對(duì)2次折線的船臺(tái)縱向形狀進(jìn)行圖形設(shè)計(jì)和分析研究，主要目的是通過(guò)分析和計(jì)算，使得圓弧曲線和直線段形成幾何圖形上的過(guò)渡：直線和圓弧相切圓滑過(guò)渡，過(guò)渡點(diǎn)(即切點(diǎn))為A，通過(guò)已知條件及幾何學(xué)分析和運(yùn)算，從而計(jì)算出圓弧所屬圓的半徑R值。

圖4中，A為直線段/圓弧段切點(diǎn)；B為圓弧段末端，即船臺(tái)末端；C為直線AB的中點(diǎn)；α1為船臺(tái)直線的坡比角，即=∠EBF；α2為直線AB的坡比角，即∠ABF；β為直線BA和GA的夾角。

圖4 計(jì)算圓弧段的幾何圖形

簡(jiǎn)要計(jì)算如下：

R=AC/cos(α1+β)

式中：tgα1=1/72；tgα2=1/18；

β=90°-α2=86.820 2°；

AB=65/sinβ=65.1 m；AC=AB/2=32.55m；

R=AC/cos(α1+β) =782.485 m。

(3)如圖5所示，通過(guò)船底氣囊有效接觸長(zhǎng)度的兩端位置到船臺(tái)面(即地面)的距離，檢查船舶通過(guò)過(guò)渡點(diǎn)A(切點(diǎn))時(shí)，C點(diǎn)處船底至船臺(tái)面的距離值H1與A點(diǎn)位置的船底到地面的距離值H之間的差值，即A點(diǎn)處氣囊實(shí)際壓縮最大值，是否小于氣囊許用壓縮最大值，公式表示為：H1-H≤氣囊許用壓縮最大值。如果該實(shí)際壓縮值大于許用壓縮值，則氣囊壓縮量是不安全的，氣囊可能會(huì)產(chǎn)生撕裂或爆裂的安全隱患。圖5中，A為直線段/圓弧段切點(diǎn)；B為圓弧段末端，即船臺(tái)末端；C為艏部放置氣囊位置；H為A點(diǎn)處船底到地面距離；H1、H2分別為艏艉端船底距地面距離。

圖5 氣囊布置簡(jiǎn)圖

(4)由于船舶在艉浮前，理論上，整個(gè)船體仍然沿著船臺(tái)面做近似直線運(yùn)動(dòng)，并且氣囊一直在船底和船臺(tái)之間滾動(dòng)，因此在整個(gè)計(jì)算考慮過(guò)程中，還要計(jì)算船舶在艉浮前，在船舶底部沿長(zhǎng)度方向兩端的氣囊以及船長(zhǎng)范圍內(nèi)的每個(gè)氣囊是否滿足距離和氣囊壓縮量之間的關(guān)系。

(5)整個(gè)坡道設(shè)計(jì)為水泥地基礎(chǔ)，其承壓力應(yīng)大于使用氣囊的工作壓力的2倍以上[3]。以此為依據(jù)，結(jié)合土建學(xué)理論，可以設(shè)計(jì)出適用于氣囊下水船臺(tái)的混凝土基礎(chǔ)。

5 氣囊下水船臺(tái)上設(shè)備選用

船舶通過(guò)氣囊下水時(shí)，船舶首部要使用普通絞車及滑輪組進(jìn)行牽引制動(dòng)。一般選用低速絞車，其放纜速度為9～13 m/min。

下水船舶下滑力和絞車鋼絲繩的牽引力按以下兩公式計(jì)算：

FC=Qgsinα-μQgcosα+QV/T

F≥KFC/(NCcosβ)

式中：FC為下水船舶下滑力，kN；Q為船舶自重，t；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；α為坡道傾角，(°)；μ為坡道摩擦系數(shù)；V為移船速度，m/s，通常不大于0.1 m/s；T為絞車剎車時(shí)間，s；F為絞車鋼絲繩的牽引力，kN；K為安全系數(shù)，K=1.2～1.5；NC為鋼絲繩道數(shù)；β為牽引鋼絲繩與坡道的夾角，(°)。

另外，在船臺(tái)兩側(cè)的前后和中間位置，均應(yīng)設(shè)置拉樁，安全負(fù)荷(SWL)通過(guò)下滑力及牽引力的數(shù)值進(jìn)行綜合考慮，一般為10～18 t左右。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)參考船舶的下水計(jì)算，得出所建造船舶的總體浮態(tài)、下水滑程、承受力、下滑力等數(shù)據(jù)，假定船舶在艉浮前作近似直線運(yùn)動(dòng)，在此基礎(chǔ)上，再對(duì)船臺(tái)的形式通過(guò)幾何學(xué)及運(yùn)動(dòng)分析的方法，得出船臺(tái)面形狀的曲線數(shù)據(jù)，這對(duì)船舶氣囊安全下水以及氣囊下水船臺(tái)的設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。計(jì)算結(jié)果表明，船臺(tái)坡道由直線和圓弧線組成，整個(gè)氣囊的下水過(guò)程是安全和可靠的，滿足工作要求。

[1] 吳劍國(guó)，楊梭，張凱敏，等.氣囊下水船臺(tái)的形狀優(yōu)化[J]. 船舶工程，2010，32(4)：56-59.

[2] 盛振邦，等.船舶靜力學(xué)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1984.

[3] 任慧龍，李陳峰，陳占陽(yáng). 船舶氣囊下水安全性評(píng)估方法研究[J]. 中國(guó)造船，2009，50(12)：53-60.

[4] CB/T 8502-2005，縱向傾斜船臺(tái)及滑道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] CB/T 3795-1996，船舶上排、下水用氣囊[S].

2013-08-26

朱彬(1972-)，男，工程師，主要從事船舶設(shè)計(jì)、船舶工程、建造工藝等工作；鳳岳良(1970)，男，工程師，從事船舶檢驗(yàn)工作。

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