2000車位汽車滾裝船設(shè)計(jì)特點(diǎn)

謝立新

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 200032）

0 前言

近年來(lái),隨著我國(guó)人民生活水平的不斷提高，小汽車在尋常百姓家庭的普及率迅猛上升，產(chǎn)量也逐年提高。這對(duì)配套的商品車物流能力提出了更高的要求。水路運(yùn)輸因其較陸路運(yùn)輸具有更經(jīng)濟(jì)、更安全、更高效等優(yōu)點(diǎn)，是目前主要的大批量運(yùn)輸方式。然而，現(xiàn)階段，在我國(guó)沿海南北航線上營(yíng)運(yùn)的汽車滾裝船大多是上世紀(jì)八十年代日本建造的二手舊船，普遍存在船齡長(zhǎng)、安全隱患多、續(xù)航力低和載車量少等弊端，且都瀕臨報(bào)廢淘汰，已不能滿足我國(guó)汽車產(chǎn)量高速增長(zhǎng)的要求。市場(chǎng)迫切呼喚全新的國(guó)產(chǎn)汽車滾裝船的問(wèn)世。

深圳長(zhǎng)航滾裝物流股份有限公司（前身為“深圳長(zhǎng)航實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司”），作為較早進(jìn)軍我國(guó)水路滾裝物流領(lǐng)域的企業(yè)之一，經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)，積極抓住國(guó)內(nèi)船舶和汽車兩個(gè)市場(chǎng)機(jī)遇，于2007年率先與上海船舶研究設(shè)計(jì)院（SDARI）合作，在南京金陵船廠訂購(gòu)4艘2000車位汽車滾裝船 （簡(jiǎn)稱2000 PCC），力圖在我國(guó)沿海南北航線滾裝物流領(lǐng)域占據(jù)更大份額。目前，首制船“長(zhǎng)吉隆”號(hào)已于2009年2月順利交船，包括載車量、航速在內(nèi)的主要性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，特別是載車量指標(biāo)，超出原設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求近400車位。船東對(duì)該船型的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和建造均表示滿意。

該船也是首艘入中國(guó)船級(jí)社的新建汽車滾裝船。

1 用途和主要參數(shù)

該船是一艘單機(jī)單槳、低速柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的純轎車汽車滾裝船，無(wú)限航區(qū)，適合同時(shí)承運(yùn)多種乘用車。主要承擔(dān)我國(guó)沿海南北航線（大連－天津－上海－東莞－?？冢┑臐L裝物流任務(wù)，同時(shí)兼顧中日航線。

該船的主尺度和參數(shù)如下：

2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 主尺度

PCC屬于典型的布置地位型船舶，其主尺度很大程度上取決于所需的布置，即取決于載車量或有效甲板面積，而載重量并不作為主要的考慮因素。汽車滾裝船的載車能力按照業(yè)界的規(guī)定通常用名義車位數(shù)或有效面積來(lái)衡量。業(yè)界所稱的車位是用RT43L車型為標(biāo)準(zhǔn)核算的，RT43L是日本首次向北美出口的“CORONA RT43L”，L 表示左手方向盤［1］，其尺寸為 4125 mm×550 mm×420 mm（L×B×H），計(jì)算空車重量為1000 kg。車輛所占實(shí)際面積再加上車長(zhǎng)方向間隙300 mm和車寬方向間隙100 mm，以此面積作為車輛布置依據(jù)。有效車輛甲板面積和載車數(shù)二者的比值大約為8.2～8.3。該船就是以裝載2000輛RT43L或約16600 m2有效車輛甲板面積作為確定主尺度的基本要素。

在一定的主機(jī)功率下，確定PCC的吃水時(shí)，除了考慮浮力、螺旋槳浸沒(méi)深度和港口航道水深等常規(guī)因素外，還應(yīng)結(jié)合碼頭潮差和尾跳的工作范圍，重點(diǎn)考慮尾跳的安裝高度。因?yàn)槲蔡鳛镻CC的關(guān)鍵滾裝設(shè)備，直接影響船舶的裝卸效率。該船吃水定為6 m，尾跳高度定在6甲板，既保證船舶能進(jìn)入我國(guó)沿海各主要滾裝碼頭水域，又能保證尾跳在各碼頭不同潮位下都能正常工作，不必候潮。

2.2 總布置

從尺度和載車量來(lái)看，該船在PCC家族中雖稱不屬于大型PCC，但是作為PCC應(yīng)具備的特征一應(yīng)俱全。如多層連續(xù)甲板、薄板結(jié)構(gòu)、尾跳與坡道、舷側(cè)貨艙通風(fēng)等。該船共設(shè)10層連續(xù)甲板，1～9層為車輛甲板，第10層甲板為居住甲板，駕駛室位于首部，設(shè)有帶球鼻的傾斜船首和方尾，采用定距槳和懸掛式半平衡舵，并裝有首側(cè)推器，第6層甲板船中兩舷設(shè)舷梯，供人員上下船之用，總布置圖見(jiàn)圖1。

船東對(duì)該船的營(yíng)運(yùn)定位是專門運(yùn)輸小型乘用車，不考慮卡車，每層車輛甲板的凈高及負(fù)荷見(jiàn)表1；其中5甲板和6甲板層高及甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足裝載越野車（SUV）的要求。

該船的貨艙區(qū)第4甲板以下為雙殼結(jié)構(gòu)，水平密性劃分原則是在滿足干舷前提下力求艙容均衡，使CO2容量配置最低。因此，整個(gè)貨艙分為1個(gè)水密區(qū)域和3個(gè)氣密區(qū)域，即第1甲板、第5甲板和第6甲板（機(jī)艙區(qū)域）為水密甲板，第7甲板和第9甲板為氣密甲板，其余均為非密性甲板；9層車輛甲板通過(guò)8個(gè)固定坡道、1扇鉸鏈?zhǔn)剿荛T和2扇鉸鏈?zhǔn)綒饷荛T實(shí)現(xiàn)彼此連通與分隔要求。圖2為該船貨艙的劃分形式。

圖1 總布置圖

表1

2.3 船體結(jié)構(gòu)

該船船體結(jié)構(gòu)為混合骨架式，即所有甲板、船底和4甲板以下舷側(cè)為縱骨架式，4甲板以上舷側(cè)考慮到風(fēng)道設(shè)計(jì)為橫骨架式，因總布置和運(yùn)輸貨物的特殊性，主要有以下特點(diǎn)：

2.3.1 多層薄甲板結(jié)構(gòu)

根據(jù)馮志遠(yuǎn)、楊國(guó)旗等學(xué)者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿在不同工況下，用有限元軟件進(jìn)行疲勞壽命分析可知，連桿在交變應(yīng)力的作用下，桿身部位處于單軸應(yīng)力狀態(tài)。連桿小頭油孔、小頭與桿身過(guò)渡部位、大頭與桿身過(guò)渡部位、連桿蓋螺栓沉孔部位均處于多軸應(yīng)力狀態(tài)，這些都是極易發(fā)生疲勞斷裂的潛在區(qū)域[17-18]。有限元分析結(jié)果如圖2所示。

該船共設(shè)9層車輛甲板，含第10甲板（上甲板）在內(nèi)共10層連續(xù)甲板，這導(dǎo)致空船重心偏高，控制空船重心高度成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要考慮的問(wèn)題。為此車輛甲板間凈高在考慮了甲板變形和車輛頂部距結(jié)構(gòu)的間隙等因素后，在滿足所裝載的車輛高度下盡量低；同時(shí)車輛甲板的厚度也盡量減小，僅有5.5 mm～6 mm，甲板橫梁和縱桁高度盡量壓縮。為了減小橫梁跨距和便于車輛在艙內(nèi)行進(jìn)，僅在船體中心線處設(shè)一排支柱，每16檔設(shè)一根，艙內(nèi)不設(shè)橫艙壁或半艙壁。由于主機(jī)吊缸高度要求，5甲板在機(jī)艙處有抬高。

2.3.2 總縱強(qiáng)度

由于甲板層數(shù)多，且都為連續(xù)甲板，該船的剖面模數(shù)有較大富裕。但由于方形系數(shù)較小，在各種載況下的靜水彎矩都為中拱，和波浪彎矩合成后使得船底區(qū)域受到較大的彎曲壓應(yīng)力，而合成后對(duì)于甲板上的壓應(yīng)力則比較小。但由于甲板的結(jié)構(gòu)較單薄，且舷側(cè)采用橫骨架式，在總縱彎矩下的屈曲需要關(guān)注［2］。

圖2 貨艙劃分圖

2.3.3 橫向強(qiáng)度

對(duì)于不設(shè)橫艙壁或半艙壁的車輛艙，橫向強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，橫向強(qiáng)度問(wèn)題主要源自貨物的橫向慣性力。由于貨物裝載位置較高，當(dāng)船舶橫搖時(shí)，貨物會(huì)引起較大的慣性力，通過(guò)舷側(cè)強(qiáng)肋骨向下傳遞，使強(qiáng)橫梁和強(qiáng)肋骨發(fā)生扭曲變形，會(huì)在強(qiáng)橫梁和強(qiáng)肋骨連接部位形成高應(yīng)力區(qū)。由于該船凈高的要求，無(wú)法通過(guò)設(shè)置常規(guī)肘板來(lái)降低應(yīng)力，而是通過(guò)每4檔設(shè)置強(qiáng)框架，并將強(qiáng)橫梁和強(qiáng)肋骨連接處局部采用AH36高強(qiáng)度鋼，強(qiáng)橫梁面板端部放大，保證了足夠的橫向強(qiáng)度。借助于艙段有限元計(jì)算，該船橫向強(qiáng)度得到驗(yàn)證。

2.4 滾裝通道設(shè)備

該船的滾裝通道設(shè)備主要由尾部斜跳板 （兼尾門，左右舷各一）、固定坡道、水密門和氣密門組成。

尾斜跳布置于第6甲板尾部，與船體中心線夾角35°,為三節(jié)鉸鏈?zhǔn)?，液壓控制。主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 2。

表2 主要技術(shù)參數(shù)表

從跳板的工作范圍看，跳板具有 4.21 m（4.68－0.47）的調(diào)節(jié)潮位變化能力，見(jiàn)圖3。甲板離碼頭的高度與尾跳型深、吃水、碼頭標(biāo)高及潮高存在以下函數(shù)關(guān)系：

圖3 調(diào)節(jié)潮位變化能力圖

式中：

h——甲板離碼頭高度；

H——尾跳甲板處的型深，該船H=12.22 m；

t——潮高；

T——船舶尾吃水；

F——碼頭標(biāo)高。

上述關(guān)系式中（F-t）即為碼頭高度，其與尾吃水T成反比例函數(shù)，見(jiàn)圖4。利用圖4，能直觀地判斷尾跳是否可以收放，以該船航線上五個(gè)港口（大連、天津、上海、東莞和?？冢槔鶕?jù)其水文資料（見(jiàn)表3），高潮和低潮時(shí)的碼頭高度分別為（F-t1）和（F-t2），繪出各港口的碼頭高度范圍，見(jiàn)圖 5，位于圖4中高、低界限之內(nèi)的碼頭高度，尾跳都能正常收放。

圖4 碼頭高度與尾吃水函數(shù)

表3 港口水文資料

圖5 碼頭高度示意圖

汽車滾裝船另一重要的通道設(shè)備就是坡道。從船東對(duì)該船的經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略定位和船舶建造成本考慮，該船車輛艙內(nèi)全部采用固定車輛甲板配以固定坡道。根據(jù)乘用車的爬坡能力，所有坡道的最大坡度不超過(guò)12°，且兩端3 m～4 m范圍內(nèi)其坡度不大于5°，并采用圓弧過(guò)渡,形成微“S”形，避免車輛上下坡碰擦底盤，見(jiàn)圖6。坡道沿舷側(cè)布置，并向船首延伸，以減少車輛掉頭次數(shù),車輛行進(jìn)采用直線式和螺旋式相結(jié)合的路線,盡可能縮短車輛在艙內(nèi)的行車路線長(zhǎng)度，大大提高了裝卸效率。

2.5 車輛綁扎

車輛綁扎由兩部分組成，即甲板上的固定件和用于綁扎車輛的各種器材。

甲板上的固定件的選取隨各層甲板的密性要求不同而不同。該船由于裝載車輛都為輕型乘用車，負(fù)荷相對(duì)較小，所以固定件的種類相對(duì)較少，在第1甲板、第9甲板及其余液艙部分的甲板采用波形條，如圖7（a），其余甲板均采用直接在甲板上開(kāi)?60圓孔的形式，如圖7（b），但對(duì)有密性要求的甲板（第5甲板和第7甲板）還要在甲板下方裝焊冷壓成形的密性罩，如圖7（c）。所有固定件下甲板無(wú)需額外加強(qiáng)。

圖6 坡道示意圖

圖7 車輛綁扎示意圖

該船的綁扎器材主要是尼龍綁扎帶，其寬度為25 mm，有效長(zhǎng)度為1600 mm，破斷負(fù)荷為180 kg。除了綁扎帶之外，船上還配置了一定數(shù)量的車輛墊塊。該船的綁扎器材雖然品種不多，但數(shù)量卻很大，如以滿載2400輛小汽車計(jì)算，每輛4根綁扎帶，就需9600根，再考慮約5%的備用品，那么總數(shù)將超過(guò)10000根，可見(jiàn)整個(gè)綁扎器材數(shù)量之多！為了方便使用和存放，通常將這些綁扎帶整齊懸掛于各層車輛甲板強(qiáng)肋骨之間及前后艙壁上。

2.6 貨艙通風(fēng)

該船貨艙通風(fēng)次數(shù)根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)為航行中10次/h和港內(nèi)裝卸貨20次/h，將危險(xiǎn)區(qū)域控制在甲板面上450 mm以內(nèi)。為了降低成本，該船貨艙采用機(jī)械進(jìn)風(fēng)、自然出風(fēng)的常用通風(fēng)形式，第10甲板首部和舯部舷側(cè)共計(jì)布置了28臺(tái)非防爆、可逆轉(zhuǎn)軸流風(fēng)機(jī)，以適應(yīng)進(jìn)風(fēng)或抽風(fēng)的需要，不過(guò)作為抽風(fēng)機(jī)使用時(shí)，僅限于當(dāng)貨艙內(nèi)無(wú)車輛時(shí)開(kāi)啟。由于中國(guó)船級(jí)社的特殊要求，為了改善自然出風(fēng)的效果，該船尾部還額外布置了2臺(tái)防爆抽風(fēng)機(jī)，用于抽取車輛艙底部（第1甲板和第2甲板）殘余的危險(xiǎn)氣體。為了不占用車輛甲板有效面積，該船所有風(fēng)機(jī)沿船長(zhǎng)方向布置，橫向通風(fēng)，風(fēng)道與結(jié)構(gòu)強(qiáng)肋骨建為一體，風(fēng)道寬度等于強(qiáng)肋骨腹板高度。

3 結(jié)語(yǔ)

2000車位汽車滾裝船的設(shè)計(jì)成功，意義重大。不僅填補(bǔ)了SDARI在中小型汽車滾裝船設(shè)計(jì)領(lǐng)域的空白，也開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)此類型船舶自行設(shè)計(jì)的先河，其良好的技術(shù)性能和優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性為船東迅速擴(kuò)大市場(chǎng)分額起到了關(guān)鍵作用，并在業(yè)內(nèi)引起了轟動(dòng)效應(yīng)，已有多家汽車物流企業(yè)和船廠對(duì)此船型產(chǎn)生濃厚興趣，紛紛委托SDARI做前期開(kāi)發(fā)。相信國(guó)家對(duì)汽車和造船兩大產(chǎn)業(yè)的振興調(diào)整規(guī)劃的出臺(tái)，必將引發(fā)汽車滾裝船的設(shè)計(jì)和建造高潮。

［1］高勇軍.汽車滾裝運(yùn)輸船的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)［J］.船舶設(shè)計(jì)通訊，2007，（1）.

［2］鄭剛、顧曄昕.汽車運(yùn)輸船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.上海造船，2008，（2）.