一種新型尾滑道式船載小艇收放系統(tǒng)

王虎虎 王志斌 高 珅

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

傳統(tǒng)船載小艇一般選用吊機(jī)、吊艇架等進(jìn)行收放。這些收放裝置的缺點(diǎn)是收放作業(yè)速度慢、安全性較低且無法在較高海況下執(zhí)行作業(yè)。為適應(yīng)公務(wù)船對(duì)船載小艇快速響應(yīng)及高海況下維權(quán)執(zhí)法的需求，可采用尾滑道式收放系統(tǒng)。美國和歐盟等發(fā)達(dá)國家的護(hù)衛(wèi)艦、巡邏艦和公務(wù)執(zhí)法船已普遍采用尾滑道式小艇收放系統(tǒng)（以下簡稱滑道系統(tǒng)），作為一種技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，已為其他國家所效仿。

國內(nèi)現(xiàn)有的滑道系統(tǒng)主要采用的是傳統(tǒng)的技術(shù)方案［1-2］，此方案最大的缺點(diǎn)就是在回收小艇時(shí)需要人力將絞車?yán)K索系固在小艇上，然后依靠絞車將小艇從海面牽引至存放位置。

中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院在跟蹤、消化、吸收和借鑒現(xiàn)有國外滑道系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，自主形成我國新型尾滑道式小艇收放系統(tǒng)技術(shù)方案。該收放系統(tǒng)已在國內(nèi)某600噸級(jí)海警船上安裝使用。

1 滑道系統(tǒng)的主要組成

新型滑道系統(tǒng)由尾門及其啟閉裝置、滑道、自動(dòng)捕捉和掛鉤裝置、牽引裝置、綁扎固定設(shè)施、液壓系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)等組成，如圖1。

圖1 新型滑道系統(tǒng)的基本組成

尾門采用下開式型式，依靠液壓油缸進(jìn)行啟閉，在最大開啟位置依靠連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定?；姥b置包括導(dǎo)向桿、尾門滑道以及船體滑道，導(dǎo)向桿和尾門滑道均設(shè)置于母船體的尾門上，船體滑道設(shè)置于母船體斜坡上。自動(dòng)捕捉和掛鉤裝置作為本系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，在下文有詳細(xì)描述。牽引裝置設(shè)置于母船體中且位于尾滑道上方，同時(shí)，牽引裝置的底部設(shè)置有車輪，母船體上設(shè)置有牽引軌道，牽引軌道的布置方向和尾滑道的布置方向平行，車輪設(shè)置于牽引軌道中且沿牽引軌道的長度方向運(yùn)動(dòng)。綁扎固定設(shè)施設(shè)置于滑道兩側(cè)，通過收緊索具將小艇固定在原位。液壓系統(tǒng)包括液壓泵站和驅(qū)動(dòng)油缸，液壓泵站設(shè)置于母船體的艙室內(nèi)，驅(qū)動(dòng)油缸沿牽引軌道的方向布置，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)油缸的一端固定于母船體上，另一端固定于牽引裝置的底部。

2 滑道系統(tǒng)收放小艇的簡要流程

在接到維權(quán)執(zhí)法任務(wù)時(shí)，打開尾門，解開綁扎設(shè)施，利用牽引裝置將小艇向下牽引至釋放位置（約滑道斜坡長度的3/5，見圖1小艇所示位置），此時(shí)螺旋槳已入水，啟動(dòng)小艇主機(jī)，艇員遙控解脫艇鉤，小艇依靠重力沿著滑道滑入水中，牽引裝置回到存放位置，關(guān)閉尾門?；厥諘r(shí)，開啟尾門，將牽引裝置下放至回收位置，小艇以一定航速?zèng)_至牽引裝置處，捕捉裝置自動(dòng)進(jìn)行掛鉤，牽引裝置將小艇牽至存放位置，最后關(guān)閉尾門。

3 滑道系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵要素

滑道系統(tǒng)釋放操作時(shí)，小艇幾乎都是依靠重力沿著滑道滑入水中，有了滑道的導(dǎo)向，小艇可以安全快速滑入水中，并脫離母船。所有的滑道系統(tǒng)都能夠在小艇安全航行的海況條件下釋放小艇。

回收時(shí)，小艇在中低航速下受到波浪影響，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較難控制，同時(shí)母船尾滑道在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)異常復(fù)雜，因此回收操作的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于釋放。在設(shè)計(jì)回收海況范圍內(nèi)，海況越高，回收成功率越低?；老到y(tǒng)安全回收小艇的能力決定了整套系統(tǒng)的性能。

影響滑道系統(tǒng)安全回收小艇能力的主要技術(shù)要素包括［3-4］滑道涉水深度、滑道開口形狀、滑道坡度、滑道表面、滑道側(cè)向間隙、滑道頂部間隙、尾門配置、水管理系統(tǒng)、捕捉裝置、尾壓浪板/尾楔、收放操作和小艇性能等。

現(xiàn)將其中顯著影響本船滑道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素即涉水深度、捕捉裝置和滑道型式及材料（包含滑道開口形狀、滑道坡度、滑道表面、滑道側(cè)向間隙和滑道頂部間隙等）做特別說明。

3.1 滑道涉水深度

滑道涉水深度是影響滑道系統(tǒng)可操作性的一個(gè)最重要因素。滑道涉水深度是指船尾斜坡式滑道的淹沒深度，它決定了小艇回收的有效時(shí)間。每一套滑道系統(tǒng)都有一個(gè)最佳涉水深度，取決于母船和小艇自身的性能以及必須回收小艇的海況。通常，在母船及小艇不變的情況下，隨著涉水深度增加，在更高海況下回收小艇的操作能力更強(qiáng)。大的涉水深度確保在滑道上有更多的水，從而提供更長的滑道淹沒時(shí)間。然而從總布置角度出發(fā)，考慮到滑道下方舵機(jī)艙及螺旋槳的布置，滑道末端往往不一定位于合適的低點(diǎn)，此時(shí)，可以考慮采用下開式尾門以形成船外延伸滑道。

當(dāng)沒有波浪激勵(lì)時(shí)，尾滑道末端與水線面之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，尾滑道末端至水線面的垂向間距就是涉水深度a。尾滑道末端應(yīng)有足夠的涉水深度，以保證在較高海況下尾滑道埋入水下的時(shí)間足夠小艇通過。

假設(shè)船舶在波浪中航行時(shí)，船舶尾滑道底部相對(duì)運(yùn)動(dòng)Y（t）服從圖2所示的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，那么當(dāng)Y（t）＞a時(shí)，尾滑道完全露出水面，露出水面的時(shí)間為τ+； 當(dāng)Y（t）＜a時(shí)，尾滑道埋入水下，埋入水下的時(shí)間為τ-。

圖2 尾滑道底部相對(duì)運(yùn)動(dòng)

小艇沖上尾滑道至少需要5 kn（即2.6 m/s）以上的相對(duì)航速，小艇長度約為11 m，因此，小艇通過尾滑道的時(shí)間約為4.2 s?？紤]到操艇人員的反應(yīng)時(shí)間及小艇與母船的相對(duì)距離， 應(yīng)至少應(yīng)大于5 s才能保證小艇安全通過滑道底部。

為滿足回收小艇時(shí)滑道最外端的最低涉水深度要求，即涉水深度應(yīng)大于小艇的設(shè)計(jì)吃水，本回收系統(tǒng)采用延伸斜坡式滑道，并在下開式尾門上設(shè)置滑道。

3.2 捕捉及掛鉤

按捕捉和掛鉤操作控制方式，可以分為人工捕捉和掛鉤以及自動(dòng)捕捉和掛鉤兩種方式。人工捕捉和掛鉤可以通過小艇艇員作業(yè)或通過母船船員和小艇艇員聯(lián)合作業(yè)完成（參見圖3）。當(dāng)小艇駛近尾滑道后，由甲板作業(yè)人員將牽引纜索掛上小艇艇首的牽引鉤，完成捕捉；當(dāng)小艇被牽引至存放位置后，由液壓鉤將小艇鎖緊在存放位置。這種掛鉤方式的最大缺點(diǎn)是小艇需停留在滑道末端處等待人工掛鉤，如果海況惡劣，很難控制小艇的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，人工捕捉小艇困難。即使掛鉤成功，由于小艇仍處于水中，波浪載荷對(duì)小艇的影響極大，在大于一個(gè)波浪周期的回收時(shí)間內(nèi)，存在小艇與母船發(fā)生撞擊的可能。

為克服這一缺陷，我所采用了新型的自動(dòng)捕捉和掛鉤裝置。

圖3 人工捕捉和掛鉤過程示例

自動(dòng)捕捉和掛鉤裝置由自動(dòng)釋放艇鉤、緩沖裝置、復(fù)位彈簧、轉(zhuǎn)動(dòng)板、掛鉤桿（“捕捉橫桿”）等組成，如圖4和圖5所示。除自動(dòng)釋放艇鉤安裝在小艇上外，其余部件均安裝在牽引小車上。

圖4 自動(dòng)捕捉和掛鉤裝置

圖5 自動(dòng)捕捉和掛鉤裝置實(shí)物圖

回收小艇時(shí)，捕捉和掛鉤裝置被牽引至圖1所示的小艇位置，小艇以一定的航速?zèng)_上尾滑道后，自動(dòng)釋放艇鉤撞向“捕捉橫桿”，在沖擊力的作用下，“捕捉橫桿”將自動(dòng)釋放艇鉤的“頜”打開，與自動(dòng)釋放艇鉤咬合并實(shí)現(xiàn)自鎖，完成捕捉。捕捉完成后，小艇由牽引裝置牽引至存放位置。采用此種上沖方式，小艇速度高、航向穩(wěn)定性好、姿態(tài)容易控制，只要小艇大部分艇身駛上艦尾滑道，波浪載荷對(duì)小艇的影響將大為降低，母船捕捉小艇并進(jìn)行掛鉤相對(duì)容易，且由于上沖時(shí)間短，回收過程中處于危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間相對(duì)較短。

釋放小艇時(shí)，駕駛員在小艇內(nèi)就位，拉動(dòng)自動(dòng)釋放艇鉤打開鎖緊裝置，自動(dòng)釋放艇鉤和“捕捉橫桿”脫開，小艇靠重力快速自動(dòng)下滑入水。

3.3 尾滑道型式和材料

斜坡式尾滑道可根據(jù)小艇與滑道接觸面的形式分為直線滑道、滾輪滑道以及輪胎滑道等多種形式。

直線滑道結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、占用空間小、布置方便、便于維護(hù)保養(yǎng)，由于是線接觸，其接觸應(yīng)力小、承載能力大。

滾輪的滾動(dòng)摩擦系數(shù)小，產(chǎn)生的摩擦力阻力小，收放過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活的滾輪對(duì)小艇的阻力小，幾乎不磨損艇體，小艇容易牽引回收和重力下放。但是，滾輪滑道與小艇為點(diǎn)接觸，接觸應(yīng)力較大，且滾輪數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量重、占用空間大，維護(hù)保養(yǎng)困難。

輪胎型式的橡膠輪負(fù)荷大，小艇支承在輪系上，接觸較好，接觸面為滾動(dòng)摩擦，阻力較小，不易磨損艇體，且橡膠輪的維護(hù)較其他方式便利。由于輪胎直徑較大，導(dǎo)致整個(gè)輪胎滑道的外形尺寸大，其裝船占用的空間比其他型式滑道大，整體適裝性差。

由于在回收時(shí)，小艇需以一定的航速?zèng)_上尾滑道，需要滑道有較強(qiáng)的承載能力；同時(shí)考慮到母船的總體布置情況（滿載僅600 t，且需布置雙滑道），因此本系統(tǒng)選擇接觸應(yīng)力小且承載能力大的直線型滑道。

圖6為雙滑道布置圖，其兩套滑道系統(tǒng)對(duì)稱布置在船兩舷，每套滑道系統(tǒng)的主船體滑道由4條直線滑道組成，尾門滑道由兩條直線滑道組成。

圖6 雙滑道布置圖

主船體滑道和尾門滑道的橫剖面均呈“V”字型，與小艇的線型匹配用以支承小艇?；辣砻娣笤O(shè)由高分子材料制成的減磨板。如下頁圖7所示，尾門滑道下設(shè)有減振器，用以吸收小艇的沖擊能量（小艇接觸滑道時(shí)，對(duì)滑道的沖擊最大）；尾門滑道以及主船體滑道靠尾部的兩段能夠橫向偏轉(zhuǎn)一定角度，可在一定范圍內(nèi)對(duì)小艇導(dǎo)向，扶正傾斜的小艇。

根據(jù)總體布置情況結(jié)合靜力計(jì)算［5］將滑道系統(tǒng)坡度約為11°，此時(shí)小艇僅依靠自重就可以被釋放。

小艇收放過程中，艇體會(huì)與滑道產(chǎn)生摩擦，如何選擇高強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性以及加工成型工藝性等綜合性能優(yōu)異的滑道材料是直線滑道成敗的關(guān)鍵。經(jīng)多方案比較后，決定采用意大利進(jìn)口的Teflon作為滑道表面材料，其摩擦系數(shù)低、耐沖擊、耐磨、耐紫外線、耐海水、耐油、耐化學(xué)腐蝕以及耐海洋生物，加工、安裝和維護(hù)便利。經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證后表明Teflon基本滿足使用需求。

圖7 滑道減振示意圖

4 結(jié) 語

作為一種新型尾滑道式船載小艇收放系統(tǒng)，除了兼顧國內(nèi)其他形式的滑道收放系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之外，其還具有以下特點(diǎn)：

（1）采用自動(dòng)捕捉掛鉤的操作形式，無需人力掛鉤，降低了工作量，減少回收時(shí)間；

（2）采用上沖式滑道，避免回收小艇時(shí)在船尾的停留，大大提高了高海況回收時(shí)的安全性；

（3）收放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，特別適合小噸位母船應(yīng)用。

該收放系統(tǒng)在600噸級(jí)海警船上的成功使用意味著其研究成果可以應(yīng)用到國內(nèi)其他公務(wù)船甚至軍船的研發(fā)上，具有良好的發(fā)展前景及應(yīng)用價(jià)值。