新型H3000鼓型橡膠護(hù)舷的研制

于 智，智 放，李 忠

（1.沈陽(yáng)化工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110142；2.沈陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)管委會(huì)，遼寧 沈陽(yáng) 110041； 3.沈陽(yáng)化工集團(tuán)，遼寧沈陽(yáng) 110006）

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的不斷增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，特別是海運(yùn)物流的快速發(fā)展，大型船舶的噸位不斷增大，對(duì)港口、碼頭的靠泊安全性要求日漸提高。鼓型橡膠護(hù)舷具有彈性好、吸能量大、維護(hù)方便、使用壽命長(zhǎng)和便于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，是近年來(lái)針對(duì)大型船舶開(kāi)發(fā)的護(hù)舷新品種，在國(guó)外被廣泛應(yīng)用。應(yīng)某大型港口靠泊特種船舶的要求，沈陽(yáng)化工大學(xué)聯(lián)合橡膠護(hù)舷生產(chǎn)企業(yè)共同承擔(dān)了H3000鼓型橡膠護(hù)舷的產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目。通過(guò)詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)考核，根據(jù)港口具體情況及靠泊船舶的噸位、航速、水流速度和涌浪高度等多種數(shù)據(jù)，并綜合考慮其他影響因素，研制了新型H3000鼓型橡膠護(hù)舷，用在船舶靠泊時(shí)減緩沖擊，保護(hù)碼頭和船舶免受沖撞。

1 設(shè)計(jì)要求和相關(guān)計(jì)算

1.1 設(shè)計(jì)要求

針對(duì)港口方的實(shí)際情況及設(shè)計(jì)要求，按交通運(yùn)輸部頒布的《港口工程荷載規(guī)范》計(jì)算船舶靠岸的有效撞擊能量，再根據(jù)撞擊能量選擇合適的護(hù)舷設(shè)施。所選用的橡膠護(hù)舷在設(shè)計(jì)壓縮變形時(shí)的吸能量應(yīng)大于船舶的有效撞擊能量，而護(hù)舷反力應(yīng)小于靠船建筑物的允許反力，護(hù)舷面壓力應(yīng)小于船舶傍板的容許面壓力。根據(jù)實(shí)際情況并參考英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（安全性指標(biāo)高），本工作對(duì)傳統(tǒng)鼓型橡膠護(hù)舷設(shè)計(jì)思路進(jìn)行創(chuàng)新，提出在現(xiàn)有鼓型護(hù)舷的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)防沖板加蓋尼龍貼面板，以承受護(hù)舷被壓縮時(shí)所產(chǎn)生的反力，分散護(hù)舷對(duì)船體的作用力，船舶在有掩護(hù)法向靠岸速度為0.10～0.12 m·s-1、無(wú)掩護(hù)法向靠岸速度為0.12～0.25 m·s-1時(shí)，反力與吸能量、反力與面壓力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.2 船舶靠岸有效撞擊能量計(jì)算

船舶靠岸時(shí)的有效撞擊能量計(jì)算方法不盡相同，一般按式（1）計(jì)算。

式中，E為船舶有效撞擊能量，kJ；C為靠泊修正因數(shù)，C＝C1·C2·C3，其中C1為附加水體質(zhì)量影響因數(shù)，C2為船舶靠岸點(diǎn)偏心影響因數(shù)，C3為靠船建筑物影響因數(shù)；m1為船舶排水量，t；V為船舶法向靠岸速度，m·s-1。

1.2.1 附加水體質(zhì)量影響因數(shù)C1

大型船舶在水中航行時(shí)，船體周?chē)乃w（稱(chēng)附加水體）在船舶的帶動(dòng)下隨之運(yùn)動(dòng)，當(dāng)船舶?？看a頭時(shí)，船體周?chē)乃w也隨著船舶運(yùn)動(dòng)并通過(guò)船舶對(duì)碼頭產(chǎn)生撞擊能量，這部分水體的質(zhì)量稱(chēng)為附加水體質(zhì)量，C1就是附加水體質(zhì)量影響因數(shù)，一般按式（2）計(jì)算：

式中，m2為附加水體質(zhì)量，t；D為船舶吃水，m；L為船的長(zhǎng)度，m；Pw為海水密度，Pw＝1.025×103kg·m-3。

對(duì)于一般貨船C1＝1.59，對(duì)于礦石船C1＝1.31～1.54，對(duì)于油輪C1＝1.35～1.67，但對(duì)于棧橋式、墩式等透空式碼頭，可以不考慮附加水體影響，C1＝1.00。本設(shè)計(jì)中碼頭為重力式，C1＝1.59。

1.2.2 船舶靠岸點(diǎn)偏心影響因數(shù)C2

船舶斜向靠岸時(shí)，一般船舶縱軸線(xiàn)與碼頭前沿線(xiàn)夾角θ小于10°（如圖1所示），視靠泊時(shí)的實(shí)際情況，有船首靠泊和船尾靠泊。由于受力點(diǎn)位置與船舶重心往往不吻合，船舶靠泊時(shí)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)或橫搖，也可減小部分船舶撞擊能量，消散能量可用C2表征。在一般情況下只考慮船舶平面回轉(zhuǎn)所消散的能量，并按式（3）計(jì)算C2。

式中，r為船舶在水平面上繞重心軸的回轉(zhuǎn)半徑，一般r＝0.25L；l為船舶重心到船舶靠岸點(diǎn)距離在碼頭方向的投影（如圖1所示）。

圖1 船舶靠岸示意

本設(shè)計(jì)中綜合考慮船舶的噸位和長(zhǎng)度，船舶靠岸點(diǎn)可選1/4，C2＝0.5。

1.2.3 靠船建筑物影響因數(shù)C3

棧橋碼頭和柔性靠船墩等靠船建筑物在船舶撞擊力（等于護(hù)舷反力）的作用下產(chǎn)生彈性形變，吸收一部分船舶撞擊能量，此時(shí)C3＜1.0，本設(shè)計(jì)是針對(duì)剛度較大的重力式碼頭，可不考慮其變形的吸能影響，C3＝1.0。

1.2.4 船舶排水量m1

船舶噸位一般用總質(zhì)量、載質(zhì)量、排水量等表示，三者間的關(guān)系如表1所示。

表1 總質(zhì)量、載質(zhì)量、排水量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)

1.2.5 船舶法向靠岸速度V

大型船舶的靠岸主要靠拖輪。隨著船舶逐步靠近碼頭，拖輪逐步停止推進(jìn)，依靠本身慣性靠泊，雖然本身速度很小，但由于大型船舶本身噸位大，其撞擊能量與船舶質(zhì)量和V成平方關(guān)系。因此，雖然V很小，但是仍要控制。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查以及聽(tīng)取業(yè)主及設(shè)計(jì)部門(mén)的意見(jiàn)，調(diào)閱當(dāng)?shù)厮馁Y料、船舶設(shè)計(jì)參數(shù)，參考海軍對(duì)水面艦艇靠泊的相關(guān)規(guī)定后，建議大型船舶配備4～5艘拖輪協(xié)助靠泊，選擇操作靈活，頂、拖性能好的拖輪拖拽。在此條件下，船舶的V如表2所示。

表2 船舶法向靠岸速度V

1.2.6 靠泊修正因數(shù)C和安全因數(shù)

根據(jù)護(hù)舷選型和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及國(guó)內(nèi)外資料確定C和安全因數(shù)。C是護(hù)舷選型時(shí)從護(hù)舷本身考慮的因數(shù)，安全因數(shù)需考慮船舶正?？坎匆酝獾钠渌焕蛩?。本研究確定的C沒(méi)有考慮護(hù)舷材料制作工藝和物理性能的差異。與安全因數(shù)相關(guān)的因素包括：碼頭泊位區(qū)域的風(fēng)、流、浪等自然條件的驟然變化，多艘拖輪協(xié)助靠泊時(shí)由于通信和意圖領(lǐng)會(huì)不當(dāng)出現(xiàn)的不協(xié)調(diào)，船舶駕駛?cè)藛T的操作失誤等。本文對(duì)此不再一一探討。

2 選型依據(jù)

通過(guò)上述數(shù)據(jù)模擬計(jì)算，為滿(mǎn)足船舶的有效撞擊能量，本研究決定制備外包尼龍面板的H3000鼓型橡膠護(hù)舷。

H3000型鼓型橡膠護(hù)舷的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 H3000鼓型橡膠護(hù)舷的結(jié)構(gòu)示意

2.1 壓縮變形

在反力不增大的情況下，H3000鼓型橡膠護(hù)舷設(shè)計(jì)壓縮變形大，比V型橡膠護(hù)舷的壓縮變形提高18%，比M型橡膠護(hù)舷提高10%，從而使護(hù)舷吸能量大幅度增大。H3000鼓型橡膠護(hù)舷設(shè)計(jì)壓縮變形為47.5%，最大壓縮變形為50%，公差為10%。

2.2 安裝間距

H3000鼓型橡膠護(hù)舷被壓縮時(shí)，其本體的外徑將膨脹變大，所以護(hù)舷在安裝時(shí)要保持適當(dāng)?shù)拈g距，以保證不互相碰撞。H2000～H3000鼓型橡膠護(hù)舷安裝間距控制在2 880～4 500 mm。

2.3 反力和吸能量

通過(guò)實(shí)體成品性能測(cè)試得到，H3000鼓型橡膠護(hù)舷設(shè)計(jì)反力為5 800 kN，最大反力為6 750 kN，設(shè)計(jì)吸能量為6 700 kN，最大吸能量為7 200 kN。H3000鼓型橡膠護(hù)舷成品側(cè)向剪切力小，吸能量大、反力小，更換方便，適用于船舶、碼頭、船塢等，應(yīng)用廣泛并利于平時(shí)調(diào)換。

2.4 摩擦因數(shù)

船舶前部設(shè)置防沖板和尼龍貼面板，可減小面壓力，并使防沖板與船板的摩擦因數(shù)減小，從而使大型船舶的靠泊剪切力大大減小。當(dāng)船舶傍板不平整時(shí)，在靠泊中常常造成橡膠護(hù)舷防沖板變形損壞。H3000鼓型橡膠護(hù)舷增加尼龍貼面板就是為了減小摩擦因數(shù)和靠泊剪切力，從而避免護(hù)舷防沖板變形損壞。

3 配方設(shè)計(jì)

橡膠護(hù)舷的基本要求是吸能量大、反力小，對(duì)船體的面壓小。這些要求與護(hù)舷的總體結(jié)構(gòu)及橡膠緩沖件的形狀構(gòu)造有關(guān)，也與膠料的性能有關(guān)，所以控制膠料的硬度很重要。一般來(lái)說(shuō)，膠料硬度越高，反力和面壓力越大，吸能量也大。橡膠護(hù)舷膠料的邵爾A型硬度控制在58～82度范圍內(nèi)。

由于橡膠護(hù)舷在受沖撞時(shí)，依靠變形來(lái)吸收能量，而過(guò)大的反力和面壓力對(duì)船舶靠泊不利。因此，橡膠護(hù)舷要獲得最佳的使用性能，僅考慮膠料的硬度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

通過(guò)實(shí)地測(cè)量，船舶靠泊時(shí)，整個(gè)橡膠護(hù)舷受力是不均勻的，橡膠護(hù)舷既被壓縮、彎曲，又要承受剪切、扭轉(zhuǎn)、摩擦等作用，因此應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和彈性，并需要耐老化和耐海水侵蝕。鼓型橡膠護(hù)舷膠料的含膠率約為50%，以使橡膠護(hù)舷具有低壓縮變形和足夠的彈性。

3.1 主體材料

膠料主體材料以進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)天然橡膠為主，并用丁苯橡膠、順丁橡膠或三元乙丙橡膠，以平衡膠料耐磨、耐寒、彈性等性能，并降低成本。

3.2 硫化體系

H3000鼓型橡膠護(hù)舷是厚壁制品，要求膠料硫化曲線(xiàn)平坦，因此膠料硫化體系中加入后效性次磺酰胺類(lèi)促進(jìn)劑CZ。為了提高膠料在模具內(nèi)的流動(dòng)性，控制膠料的早期硫化傾向，膠料硫化體系中加入適量防焦劑CTP，以達(dá)到抗焦燒的目的。

3.3 補(bǔ)強(qiáng)體系

為提高橡膠護(hù)舷的硬度、抗撕裂性能，保持彈性，膠料補(bǔ)強(qiáng)體系以高耐磨炭黑或中超耐磨炭黑等硬質(zhì)炭黑為主，并用通用炭黑來(lái)平衡膠料綜合性能。

3.4 防護(hù)體系

橡膠護(hù)舷長(zhǎng)期受天候老化、海水侵蝕等作用，因此膠料中防護(hù)體系不可缺少。可選用的防老劑有防老劑A，D，RD等；為了提高耐紫外線(xiàn)性能，添加防老劑4010NA和1～4份石蠟。石蠟會(huì)不斷向表面遷移，噴出后在橡膠護(hù)舷表面形成老化防護(hù)膜。

H3000鼓型橡膠護(hù)舷膠料配方如表3所示。

表3 H3000鼓型橡膠護(hù)舷膠料配方 份

4 工藝條件

4.1 膠料收縮率

膠料硫化冷卻后收縮，造成成品尺寸比模具型腔尺寸小，因此在模具設(shè)計(jì)時(shí)要考慮膠料的收縮率。影響膠料收縮率的因素很多，主要有膠料的熱膨脹，制品的結(jié)構(gòu)形式、斷面壁厚、有無(wú)嵌件，膠料的含膠率、硫化溫度、生膠種類(lèi)、硬度、硫化條件。計(jì)算收縮率的公式也較多，常用的有3個(gè)，分別為根據(jù)制品和模具型腔尺寸計(jì)算的公式、根據(jù)硫化膠邵爾A型硬度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式、根據(jù)硫化溫度計(jì)算的一般公式。在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)硫化膠硬度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式使用方便，而且對(duì)橡膠護(hù)舷這樣的大制品，尺寸要求不是很精確（公差為±7%），因此大多采用硫化膠硬度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，η為膠料收縮率，k為硫化膠的邵爾A型硬度。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，邵爾A型硬度為67度的膠料收縮率為1.46%。

4.2 金屬骨架處理

目前金屬骨架與橡膠粘合的方法主要有4種，包括硬質(zhì)膠粘合法、硫化磷直接粘合法、異氰酸酯粘合法和膠粘劑粘合法。在日常操作中常采用異氰酸酯粘合法，該法雖然原料不穩(wěn)定且對(duì)人體有害，但其粘合強(qiáng)度很高，較適合用于橡膠護(hù)舷。

H3000鼓型橡膠護(hù)舷內(nèi)嵌鋼板的異氰酸酯粘合法操作步驟如下。

（1）鋼板進(jìn)行噴砂處理，然后用稀鹽酸酸洗，待干燥后用丙酮除去表面油脂，備用。

（2）硫化前4 h將異氰酸酯粘合劑涂刷在已處理過(guò)的金屬表面，停放2 h。

（3）在涂有粘合劑的表面再涂高硬度膠料膠漿，形成粘合增強(qiáng)層。

（4）將厚度約為8 mm的高硬度膠片貼在粘合增強(qiáng)層上。

（5）將緩沖膠片貼在高硬度膠片上。

4.3 成型

成型是根據(jù)橡膠護(hù)舷結(jié)構(gòu)，將半成品膠片在成型模具中粘貼成預(yù)制件。各種膠片在成型前都要按產(chǎn)品規(guī)格，制成一定形狀的半成品，外層膠和內(nèi)層膠半成品的厚度要嚴(yán)格控制。由于產(chǎn)品存在一定收縮率，預(yù)成型時(shí)應(yīng)加入適當(dāng)過(guò)量的膠料，硫化時(shí)多余的膠料通過(guò)預(yù)留的溢膠口流出，這對(duì)保證成品尺寸精度和提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

本產(chǎn)品是有嵌件的橡膠護(hù)舷，除了在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證嵌件的正常定位公差外，在成型時(shí)應(yīng)注意保證嵌件的位置準(zhǔn)確（如預(yù)留定位銷(xiāo)）。

4.4 硫化設(shè)備

H3000鼓型橡膠護(hù)舷具有體積大、硫化時(shí)間長(zhǎng)、保溫要求高等特點(diǎn)，研制兼具加壓和加熱性能的單體夾壁罐設(shè)備是本工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

本研究開(kāi)發(fā)的單體夾壁罐設(shè)備采用夾壁通蒸汽的加熱系統(tǒng)，根據(jù)優(yōu)化熱力學(xué)溫度場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置，節(jié)能效果顯著。采用該設(shè)備硫化，大大改善了膠料的流動(dòng)性和制品表面平滑性，降低了成本，提高了生產(chǎn)效率和成品合 格率。

4.5 硫化條件

H3000鼓型橡膠護(hù)舷硫化條件的確定采用硫化效應(yīng)法。在確定厚制品的硫化條件時(shí)，首先要算出各膠層的硫化效應(yīng)。為了計(jì)算各膠層的硫化效應(yīng)，必須確定各膠層的實(shí)際硫化溫度。本研究采用國(guó)內(nèi)較先進(jìn)的熱電偶測(cè)量法測(cè)量硫化溫度，用熱傳導(dǎo)計(jì)算求得各膠層的硫化效應(yīng)。

H3000鼓型橡膠護(hù)舷是大型橡膠制品，宜使用較大的硫化壓力，本研究采用的硫化壓力為20 MPa。在此壓力下，將等效硫化效應(yīng)計(jì)算結(jié)果與膠料實(shí)際硫化效果進(jìn)行比較確定，H3000鼓型橡膠護(hù)舷的硫化溫度為148 ℃，硫化時(shí)間為140 min。

5 配件

5.1 防沖板

防沖板是安裝在橡膠護(hù)舷前端的鋼結(jié)構(gòu)裝置，用以承受護(hù)舷被壓縮時(shí)所產(chǎn)生的反力，分散橡膠護(hù)舷對(duì)船體的作用力。尼龍貼面板由螺栓和螺母緊固在防沖板上，可以定期更換。尼龍貼面板可以減小船體與護(hù)舷表面的摩擦力，從而增大橡膠護(hù)舷的抗剪切能力。防沖板經(jīng)噴砂處理后涂漆防腐。防沖板的頂端與兩側(cè)的邊緣倒角距離約100 mm，以免鋒利的邊緣損壞船體或劃掉船體上的油漆。本研究防沖板采用900 mm方塊板拼合而成，為了最大限度地提高吸能量與減小反力，采用兩鼓一板的連接形式。

5.2 橡膠彈簧鏈

鼓型護(hù)舷規(guī)格在H2000以下時(shí)，護(hù)舷本身能夠支撐前防沖板，一般不采用橡膠彈簧鏈。H3000鼓型護(hù)舷因防沖板的質(zhì)量較大，超過(guò)了本體允許的靜負(fù)荷，就要用橡膠彈簧鏈來(lái)牽拉防沖板。橡膠彈簧鏈安裝在護(hù)舷系統(tǒng)的兩側(cè)，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)受斜向壓縮時(shí)，其一端將被拉伸，該端鏈條將受到較強(qiáng)的拉力。

5.3 金屬配件

錨固螺栓：將護(hù)舷固定在碼頭或靠船墩上；防沖板：保護(hù)船體及橡膠護(hù)舷本體；貼面板：減小摩擦因數(shù)，保護(hù)船體；橡膠彈簧鏈：牽拉防沖板；剪切鏈：限制護(hù)舷系統(tǒng)的剪切變形；拉鏈：在局部壓縮時(shí)可限制護(hù)舷拉伸。

5.4 配件材質(zhì)

配件鋼型號(hào)：護(hù)舷與防沖板連接件 1Cr13或2Cr13；護(hù)舷與碼頭連接件 A3或1Cr13或2Cr13；橡膠彈簧鏈 A3或A25；剪切鏈和拉鏈 A3或A25；貼面板與防沖板連接件 A3鍍鋅或A3；螺 栓 1Cr13或2Cr13；墊片 A3或A25鍍鋅；預(yù)埋螺母 1Cr13或2Cr13；地腳桿 A3或A25鍍鋅；地腳板 A3或A25鍍鋅。貼面板材料為尼龍。

6 成品性能

6.1 外觀

H3000鼓型橡膠護(hù)舷表面無(wú)明疤，無(wú)油污，本體無(wú)缺膠，外形尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6.2 物理性能

成品橡膠護(hù)舷物理性能如表4所示。

表4 成品橡膠護(hù)舷的物理性能

6.3 反力-變形性能

沈陽(yáng)化工大學(xué)按HG/T 2866—2003測(cè)試H3000鼓型橡膠護(hù)舷的反力-變形性能。測(cè)試時(shí)按使用壓縮方向?qū)⒆o(hù)舷固定在力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)底板上，以（70±5） mm·min-1的速度加壓，壓力誤差為±5%，記錄護(hù)舷壓縮高度，直至達(dá)到設(shè)計(jì)壓縮變形量時(shí)的對(duì)應(yīng)壓力值（即反力）。重復(fù)試驗(yàn)，取后2次數(shù)據(jù)平均值繪制反力-變形曲線(xiàn)，并計(jì)算吸能量。實(shí)測(cè)得H3000鼓型橡膠護(hù)舷的最大壓縮變形為50%，反力為6 750 kN，吸能量為7 200 kN，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)語(yǔ)

本研制H3000鼓型橡膠護(hù)舷各項(xiàng)性能均達(dá)到HG/T 2866—2003的要求，通過(guò)有關(guān)部門(mén)檢驗(yàn)，并得到了用戶(hù)好評(píng)。同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)、選型、工裝、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的全過(guò)程規(guī)范管理，健全了生產(chǎn)操作規(guī)范，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。