張吉平

（中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海 200063）

0 引言

在修造船廠中，通常船舶上墩、下水設(shè)施主要有三大類型：滑道、船塢和垂直升船機(jī)?；朗勾霸谛泵嫔仙担ㄅＳ丸驶?、滾珠滑道和機(jī)械化各式縱、橫向滑道等。船塢是利用水浮力使船塢垂直升降，主要有干船塢、浮船塢和灌水式船塢三種。垂直升降機(jī)則是利用機(jī)械力使船舶垂直升降，主要分卷揚(yáng)式和液壓式兩種。這三大類中，機(jī)械化滑道應(yīng)用得較普遍，適用于中、小型修造船廠。

機(jī)械化滑道是一種船舶上墩、下水設(shè)施。滑道都是以一定坡度從陸地伸入水域的建筑物，借助機(jī)械化設(shè)備（包括本文重點介紹的楔形船架拉曳系統(tǒng)），能使船舶沿著滑道斜面上、下運行，完成上墩和下水作業(yè)。在滑道的后方或兩側(cè)陸域，一般配置有移船區(qū)和多船位的船臺區(qū)，可同時進(jìn)行多艘水平放置的船舶的建造和修理，提高修造船效率。

當(dāng)船舶在楔形船架上落墩時，船架架面基本是水平的。船舶也基本上在水平狀態(tài)下落墩和起浮，避免了因艉浮而產(chǎn)生的前支點壓力，增大了船舶上墩的安全性。

1 橫向楔形船架

根據(jù)滑道的平面布置，可分為縱向滑道和橫向滑道兩大類型。很多船廠使用的是縱向布置的楔形船架。目前縱向布置的楔形船架數(shù)量比橫向的多，主要是因為總造價便宜，縱向布置的楔形船架只需要在水下鋪設(shè)兩根軌道，而橫向的楔形船架所需軌道數(shù)量很多。但是橫向布置的楔形船架在狹長的河流岸邊使用時，下水的（上坡的）船舶是平行于主航道的，能夠最大限度的不影響河流主航道的船運。

近期中船第九設(shè)計研究院工程有限公司曾為某船廠設(shè)計過一大型橫向楔形船架，詳見圖1和圖2，其參數(shù)如下：

1）楔形船架總長 190m，寬 18m，總載重量10000t，斜船架分為主架與副架二節(jié)；

2）主架尺度：長110m，寬18m，載重量6000t；

3）副架尺度：長80m，寬18m，載重量4000t；

4）二節(jié)架能組合運行，也能各自獨立運行；

5）主架配置16個拉點；

6）副架配置10個拉點；

7）絞車采用變頻電機(jī)；

8）斜船架有測量水下位移功能。

圖1 俯視圖

圖2 側(cè)視圖

此橫向滑道楔形船架節(jié)約了長江主航道的空間，不會和主航道的區(qū)域交叉影響，為了多節(jié)約一些，滑道的坡度定為1：8。在這種地理條件下只能采用這種滑道式。和浮船塢相比，優(yōu)點是每次使用所需時間較短，總造價便宜，對豐水期高水位和枯水期低水位的差值適應(yīng)能力強(qiáng)。缺點是水下的滑道有一定的故障隱患。故障主要有兩點，一個是淤積等引起的軌道無法使用的故障，一個是船架在橫向方向的位移量不同而產(chǎn)生的脫軌等故障。

將斜船架分為主架與副架兩節(jié)也是為了節(jié)約使用成本，長度小于100m的船舶可以只使用主架，這樣副架就能減少使用次數(shù)，可以減少能耗、增加副架（主要是鋼絲繩）的使用年限。

2 橫向楔形船架的設(shè)計要點

2.1 拉曳點的布置

船舶的線載荷分布情況決定了拉曳點的受力大小和密度。但是船廠不可能只造一種船型，因此一般拉曳點的布置要均布，這樣才能適應(yīng)多變的船型。單獨看主架，拉曳點對于主架是對稱的、均布的。單獨看副架，也是對稱的、均布的。但是，合并為整體架時，拉曳點就不需要對稱和均勻了。這樣的不對稱、不均勻布置是因為船舶的線載荷普遍是不對稱、不均勻的，一般是船尾（或船首）的線載荷最大。長度大于100m的船舶下水時，需要主架和副架，將線載荷大的一邊放在主架上，這樣主架承受的負(fù)載大于副架的承受負(fù)載，主架布置更密集的拉曳點，就是合理的。

2.2 總牽引力的計算

總牽引力包括斜坡分力、摩擦阻力，還有比例很小的啟動慣性力和風(fēng)阻力。斜坡分力就是包括船舶和船架、隨船小車、墩木等一切軌道上移動的物體的總質(zhì)量乘以滑道傾斜角度的正弦值。摩擦阻力為總質(zhì)量乘以滑道傾斜角度的余弦值，再乘以摩擦系數(shù)。本船架是多臺絞車牽引的，考慮同步性，采用了變頻電機(jī)。

對于單臺絞車的拉力和功率計算，采用偏保守的最大線載荷計算方法。即是將船架假設(shè)為梳式船架，船架在橫向方向無剛性。這樣每臺絞車的最大拉力就不是總牽引力除以絞車臺數(shù)再乘以不平衡系數(shù)了。按照單臺絞車的最大拉力，推算總牽引力和船舶質(zhì)量，得出的船舶質(zhì)量為最大線載荷乘以船架總長度。該設(shè)計可有效防止電機(jī)過載帶來的速度精度的降低，提高多臺電機(jī)的同步性，并為以后糾偏留有裕量。

2.3 測量水下位移量的方法

橫向滑道大型整體船架下水以后，需要測量橫向方向的左右兩端與起點之間的位移，以防因位移不同導(dǎo)致卡軌甚至是脫軌，導(dǎo)致船架在滑道上不能正常使用，產(chǎn)生嚴(yán)重的財產(chǎn)浪費。雖然可以采用的測量方式很多，但難點在于水下運行時如何選擇穩(wěn)定的、性價比高的方法。

水下測量一般都是要用到聲學(xué)定位系統(tǒng)，它是采用脈沖群定位技術(shù)（Tone Burst Ranging Techniques）。船舶上墩或下水時，離岸較近，屬于近距離淺水。船廠習(xí)慣于借助標(biāo)桿等設(shè)施，將水下部分用長標(biāo)桿延伸到水面以上，直接目測或使用激光測距儀測量距離。因此這里的水下測量，不需要用到聲學(xué)定位系統(tǒng)，一般都可以使用地面上普通的測距儀器來測量同步性。最常見到的測距儀就是激光測距儀了，其原理為利用激光對目標(biāo)的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測定的儀器。

激光測距儀在工作時向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計時器測定激光束從發(fā)射到接收的時間，計算出從觀測者到目標(biāo)的距離。其優(yōu)點為質(zhì)量小、體積小、操作簡單速度快而準(zhǔn)確。其便宜的價格更是將它不宜維護(hù)和保養(yǎng)的缺點化為無形。在這里完全可以作為輔助手段對船架下水后留在水面以上的標(biāo)桿進(jìn)行測量。只是標(biāo)桿本身的剛性和精度問題使得測量誤差會較大。故不宜將激光測距儀作為船架主要的水下測量位移方法。

還有一種新型測距方法是格雷母線位置檢測。格雷母線位置檢測包括地址編碼發(fā)射器、地址編碼接收器、格雷母線和天線箱四個部分。格雷母線位移傳感器以相互靠近的扁平狀的格雷母線和天線箱之間的電磁耦合來進(jìn)行通信，并在通信的同時檢測到天線箱在格雷母線長度方向上的位置。其特點為：

1）非接觸工作方式，無滑脫和磨損等故障。很適合水下復(fù)雜環(huán)境的工作方式；

2）能夠連續(xù)地、高精度地檢測絕對地址，位置檢測精度達(dá)5mm，可以實現(xiàn)移動機(jī)車自動行走和全自動操作。5mm的位移精度正好可滿足橫向船架的需要；

3）通信適用范圍廣，通過電磁耦合來進(jìn)行通信，不受環(huán)境條件限制，接收靈敏度高；

4）不受無管會管制，數(shù)據(jù)通信的載頻為低頻，所產(chǎn)生的電磁場只限于幾米范圍，不需要向無管會申請即可使用；

5）兼容性好，位置檢測和數(shù)據(jù)通信可以合用一根格雷母線電纜，施工方便、安裝維護(hù)簡單，占空間小，不影響現(xiàn)場外觀，不改變現(xiàn)場設(shè)備；

6）抗干擾能力強(qiáng)，使用交叉扭絞結(jié)構(gòu)及相位檢測技術(shù)，天線箱與格雷母線兩者間隙從 30mm到300mm均可正常工作，不受環(huán)境噪音和接收信號電平波動的影響，能夠在惡劣環(huán)境條件中長期可靠的工作；

7）適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，耐酸、堿腐蝕，防護(hù)等級IP67，使用壽命長。

綜合以上優(yōu)點，此次測量水下位移量的裝置采用了格雷母線位置檢測。

另外，使用貯繩筒配旋轉(zhuǎn)編碼器的測量下水后的鋼絲繩長度的輔助方法。其原理為：兩根鋼絲繩一端分別被固定在船架的寬度方向上左右兩點上，相應(yīng)的兩個貯繩筒被力矩電機(jī)驅(qū)動，一直處于收繩狀態(tài)，因此鋼絲繩一直處于崩緊狀態(tài)。船架下水時，鋼絲繩被船架拉著走；船架起坡時，鋼絲繩被貯繩筒收回。通過貯繩筒軸心位置的旋轉(zhuǎn)編碼器可以知道鋼絲繩被拉出或收回的速度以及長度，從而比較準(zhǔn)確地知道船架在水下時的兩端位移量，這可以作為輔助方法，幫助操作者判斷格雷母線位移傳感器是否正常工作。

2.4 糾偏系統(tǒng)

通過控制變頻電機(jī)來實現(xiàn)。例如，在船舶下水時，左邊比右邊位移量多了30mm，拉拽電機(jī)全部停止，然后按照扇形的速度，最右邊的放繩速度最快，向左依次降低速度，最左邊的電機(jī)停止，25組變頻電機(jī)同時運行，當(dāng)最右邊的放繩距離有30mm時，25組變頻電機(jī)同時停止，然后在繼續(xù)26組同速度放繩的工作，讓船舶繼續(xù)下水。

2.5 倒拉系統(tǒng)

倒拉系統(tǒng)（見圖3）是在水下淤積比較嚴(yán)重時，橫向滑道大型整體船架靠斜坡下滑重力也無法克服淤泥阻力的時候使用的輔助手段。結(jié)合施工現(xiàn)場的淤積情況，倒拉可以作為一個輔助辦法。倒拉滑輪的維修在以后肯定會是一個比較困難的事情。在設(shè)計時，必須充分考慮其耐用性和實用性，保證不會發(fā)生鋼絲繩脫槽等影響使用的事情發(fā)生。

圖3 倒拉系統(tǒng)

圖4 防鋼絲繩脫槽的滑輪

2.6 防鋼絲繩脫槽的滑輪

倒拉系統(tǒng)中的滑輪采取了平滑輪來取代錐滑輪，可以有效防止鋼絲繩脫槽運行（見圖4）。錐滑輪是滑動軸承的地方比較寬，這樣比較經(jīng)濟(jì)的降低軸承比壓，提高軸承使用壽命。而平滑輪則是滑動軸承的地方基本與標(biāo)準(zhǔn)鋼絲繩托槽同寬，為了降低軸承比壓就必須將軸做粗，增加了滑輪的耐用性。因主滑輪的數(shù)量多，所以主拉滑輪采用相對經(jīng)濟(jì)的錐滑輪。

3 結(jié)論

橫向滑道楔形船架是在特殊地理條件下的船舶下水方式。在設(shè)計拉曳系統(tǒng)時，拉曳點的布置、水下測量位移裝置及糾偏系統(tǒng)以及防脫槽滑輪等尤為關(guān)鍵，同時還要盡可能地考慮其可操作性、維修是否方便，以及人員安全性。全盤考慮這些細(xì)節(jié)，就可以完成最終的設(shè)計了。

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