船舶氣囊式下水船臺的形狀研究

朱 彬，鳳岳良

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

船舶氣囊式下水船臺的形狀研究

朱 彬1，鳳岳良2

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

為了降低中小型船廠的基礎建設投資成本，通過對下水過程的計算和分析，提出了氣囊下水船臺水下部分形狀的設計和改造。船臺設施和下水工藝的改善，為建造中小型船的船臺設計提供參考，并為建造船舶自重小于2 500 t的船廠在氣囊式下水船臺設計方面提供了理論基礎。

氣囊下水；下水船臺；下水工藝

0 引言

20世紀80年代開始，我國開始研究氣囊下水技術并應用于實際。該下水技術的應用，使得船舶下水省時、省力、省成本。但是，目前大多數(shù)船舶下水技術研究專注于大噸位的船舶下水力學方面，很少對船臺形式、船臺輔助設備、工裝方面進行研究。本文根據(jù)船舶靜力學原理[1]，在船臺形式、船臺形狀及輔助設備方面進行了探討，對船舶氣囊下水船臺方案進行計算和分析，提出了適合氣囊下水的船臺改造辦法。

1 氣囊下水的船臺特點

船舶建造船臺一般分為滑道式、滾珠式、機械式等3類，以滑道式為主流。這些方式是傳統(tǒng)工藝技術的代表，也是大型船舶建造企業(yè)必須具備的條件之一。但這些工藝技術基建費用高、維護成本也較高，對中小型企業(yè)來說，是一筆不小的投入，提高了船舶建造成本的估價。氣囊下水船臺以其低廉的投資，較少的維護費用及低要求的設計滿足了船舶下水的要求，并且氣囊的使用可以是重復性的，從而減少了船舶下水的總費用。

氣囊下水船臺具有低成本、高回報，低要求、高效率的特點。在該船臺上實施船舶下水作業(yè)，準備時間短，實施方便，易于控制。

船臺面為直線型，水下部分為曲線型。通過船舶在尾浮時的狀態(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

圖2 折線型船臺

圖3 圓弧型船臺

2 氣囊式下水船臺設計的考慮因素

2.1 3種船臺形式的優(yōu)缺點

(1)直線型。該船臺簡單易做，但船舶下水時，需要水下部分較長，才能有較高的水位使船舶全浮，并且由于只有一種坡度，船舶在船臺上建造的高度較高； 如果水下部分短，會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。該船臺通過2次或3次折線，可以減少船臺水面以上的坡度。但這種變坡度的折線型船臺，在船舶下滑過程中，氣囊容易因受壓不均勻引起氣囊受損或船底碰撞船臺面而導致船體損壞。

(3)圓弧型。通過2次折線過渡，在折線的水下區(qū)域，計算出圓弧和直線進行過渡，使該船臺形式既具有折線型的優(yōu)點，同時又利用曲率的逐步降低，達到坡度逐漸增加的效果。該形式的船臺比直線型、折線型有更好的力學性能，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

氣囊式下水船臺不需建造滑道，僅需建造好船臺面基礎即可。根據(jù)重力式下水原理，船臺可采用坡度設計，但坡度不宜太大，需根據(jù)計算選擇坡度，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。

氣囊充氣并達到規(guī)定的壓力要求后，實際上，可以將氣囊近似地視為一個彈性體[3]進行受力分析和研究。在船舶下水過程中的研究分析計算中，通常將船舶下水分為3個階段：

(1)船舶下滑到船尾開始入水階段。船舶在船臺上從靜止狀態(tài)到開始下滑，船舶的坡度是下滑力的基礎。船舶在此階段受3個方向的力：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的反力以及水的浮力。

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

3 潮位特征分析和選用

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

4 氣囊下水船臺曲線段的確定設計實例

為確保安全下水，氣囊式下水船臺引入圓弧型設計。設計時，應從2個方面考慮曲線段：一是通過下水計算確定出船臺水下部分的長度，二是通過水下長度根據(jù)幾何學原理，計算出曲線的弧形。根據(jù)以上計算確定出曲線后，要校核氣囊在運行過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屬于半塢式的：船臺的坡度較小，通常為1/60～1/75之間，并且船臺的靠水側(cè)一端均低于水平面以下，船臺與水道之間設置有塢門。目前下水的方法為：將船舶滑行至預定地點或位置，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一般都為簡易型船臺，船臺均用混凝土澆注而成，特別是水下，均為淤泥，很少會使用混凝土形成水下船臺部分。在氣囊下水過程中，由于接觸面不平，導致氣囊受壓不均，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)合實船的下水計算分析，找出一個解決實際氣囊下水船臺設計的辦法。本文通過實際船型——海工輔助支持船的計算和分析，用于驗證該船臺的設計方法。該船的主要參數(shù)為：

船型

海工輔助船

總長

70.7 m

垂線間長

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)通過靜水力學、邦戎表計算出船舶下水時各階段的受力、浮態(tài)和滑行距離等數(shù)據(jù)以及艉浮、全浮時的滑行距離作為所建造船臺長度的參考值(在此不作描述)。2次折線的坡比區(qū)域為1/15～1/20之間[1]。經(jīng)下水計算后，得出實船設計下水水位為2.43 m(以85國家高程為基準面)，整個水下滑行長度為60 m?？紤]到所建船舶的船型定位情況，取 65 m作為最終的水下船臺長度。

(2)圓弧段的幾何圖形如圖4所示。圖中，根據(jù)幾何學原理，對2次折線的船臺縱向形狀進行圖形設計和分析研究，主要目的是通過分析和計算，使得圓弧曲線和直線段形成幾何圖形上的過渡：直線和圓弧相切圓滑過渡，過渡點(即切點)為A，通過已知條件及幾何學分析和運算，從而計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；B為圓弧段末端，即船臺末端；C為直線AB的中點；α1為船臺直線的坡比角，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 計算圓弧段的幾何圖形

簡要計算如下：

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，通過船底氣囊有效接觸長度的兩端位置到船臺面(即地面)的距離，檢查船舶通過過渡點A(切點)時，C點處船底至船臺面的距離值H1與A點位置的船底到地面的距離值H之間的差值，即A點處氣囊實際壓縮最大值，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；B為圓弧段末端，即船臺末端；C為艏部放置氣囊位置；H為A點處船底到地面距離；H1、H2分別為艏艉端船底距地面距離。

圖5 氣囊布置簡圖

(4)由于船舶在艉浮前，理論上，整個船體仍然沿著船臺面做近似直線運動，并且氣囊一直在船底和船臺之間滾動，因此在整個計算考慮過程中，還要計算船舶在艉浮前，在船舶底部沿長度方向兩端的氣囊以及船長范圍內(nèi)的每個氣囊是否滿足距離和氣囊壓縮量之間的關系。

(5)整個坡道設計為水泥地基礎，其承壓力應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)合土建學理論，可以設計出適用于氣囊下水船臺的混凝土基礎。

5 氣囊下水船臺上設備選用

船舶通過氣囊下水時，船舶首部要使用普通絞車及滑輪組進行牽引制動。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，在船臺兩側(cè)的前后和中間位置，均應設置拉樁，安全負荷(SWL)通過下滑力及牽引力的數(shù)值進行綜合考慮，一般為10～18 t左右。

6 結(jié)語

通過對參考船舶的下水計算，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動，在此基礎上，再對船臺的形式通過幾何學及運動分析的方法，得出船臺面形狀的曲線數(shù)據(jù)，這對船舶氣囊安全下水以及氣囊下水船臺的設計具有較強的指導意義。計算結(jié)果表明，船臺坡道由直線和圓弧線組成，整個氣囊的下水過程是安全和可靠的，滿足工作要求。

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

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

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

[4] CB/T 8502-2005，縱向傾斜船臺及滑道設計規(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，主要從事船舶設計、船舶工程、建造工藝等工作；鳳岳良(1970)，男，工程師，從事船舶檢驗工作。

U671.5

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