某救護(hù)艇整體吊運(yùn)下水轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)

郭明明

（大連遼南船廠，遼寧大連 116041）

0 引言

目前，船舶下水方式主要有船塢下水和船臺滑道下水等，這些下水方式需占用船廠大量下水場地及工裝資源，比較適合大型船舶下水。船舶轉(zhuǎn)運(yùn)主要工具有半潛駁船和轉(zhuǎn)運(yùn)貨輪，其中，利用半潛駁船的轉(zhuǎn)運(yùn)成本較高，并且更適合大型船舶轉(zhuǎn)運(yùn)；轉(zhuǎn)運(yùn)貨輪較適合中小型船舶，但是，被轉(zhuǎn)運(yùn)船舶由水中吊裝到轉(zhuǎn)運(yùn)貨輪上的工作量較大，危險系數(shù)高，且定位操作復(fù)雜[1]。

為進(jìn)一步提高小型船舶的下水能力，降低下水轉(zhuǎn)運(yùn)成本，提高工作效率，根據(jù)某救護(hù)艇的下水及轉(zhuǎn)運(yùn)過程，針對小型鋁質(zhì)船舶研究較合適的下水及轉(zhuǎn)運(yùn)方案，自行設(shè)計(jì)吊運(yùn)下水和轉(zhuǎn)運(yùn)工裝，研究出一套科學(xué)可行的下水及轉(zhuǎn)運(yùn)工藝，創(chuàng)新小型鋁質(zhì)船舶下水及轉(zhuǎn)運(yùn)方法，為小型鋁質(zhì)船舶吊運(yùn)托架下水及轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)進(jìn)步提供支持。

1 概述

小型鋁質(zhì)船舶方便快捷下水轉(zhuǎn)運(yùn)需具備成熟的下水、轉(zhuǎn)運(yùn)及通用的吊運(yùn)托架工裝設(shè)備，避免傳統(tǒng)吊帶或吊裝眼板下水及吊運(yùn)對鋁合金艇體產(chǎn)生的不利影響，節(jié)省船塢等工裝資源占用的時間，并避免租用半潛駁船轉(zhuǎn)運(yùn)的費(fèi)用，節(jié)省轉(zhuǎn)運(yùn)貨輪將救護(hù)艇由水中吊裝到貨輪甲板上的操作時間，為后續(xù)建造船舶的下水及轉(zhuǎn)運(yùn)成本節(jié)省、船廠塢期負(fù)荷降低以及造船效率提高提供技術(shù)支持，有效提高船廠船舶生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、下水和轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

1.1 艇主尺度要素及艇體結(jié)構(gòu)形式

該艇為雙機(jī)雙泵推進(jìn)的鋁合金槽道型雙體船，總長約23 m，型寬約7 m，型深約2.7 m，設(shè)計(jì)吃水約1.0 m，滿載排水量約60 t。艇體采用縱骨架式結(jié)構(gòu)，甲板室采用橫骨架式結(jié)構(gòu)。主艇體及甲板室結(jié)構(gòu)均采用鋁合金全焊接結(jié)構(gòu)。

1.2 整體技術(shù)方案

因該艇為鋁合金槽道型雙體船，艇體結(jié)構(gòu)較弱，由國內(nèi)建造，且需要轉(zhuǎn)運(yùn)至國外進(jìn)行交付。為保證下水、轉(zhuǎn)運(yùn)及后續(xù)的可維修性，根據(jù)船體及塢墩布置特點(diǎn)設(shè)計(jì)吊運(yùn)托架形式。在艇體建造階段將吊運(yùn)托架制作完畢，在艇體下胎坐墩前將塢墩布置安裝在托架上，以便船體下胎坐墩。建造完畢后，將艇體與托架綁扎為整體，可整體進(jìn)行吊運(yùn)、下水、拖帶、轉(zhuǎn)運(yùn)裝船，避免復(fù)雜的水中定位操作，方便快捷，安全性及效率非常高。

2 吊運(yùn)下水方案設(shè)計(jì)

2.1 吊運(yùn)托架設(shè)計(jì)

吊運(yùn)托架不僅要承受船體結(jié)構(gòu)及墩木的重量，而且還需能滿足墩木布置的需要，其寬度方向尺度和總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)能夠滿足吊運(yùn)需求。吊運(yùn)托架設(shè)置的橫縱交叉點(diǎn)包含所有墩木布置方案的布置位置，根據(jù)下水墩木的位置設(shè)置面板，方便墩架焊接固定；吊運(yùn)眼板橫向位置略大于船寬，方便吊運(yùn)鋼索固定操作；整體框架采用I32工字鋼，并設(shè)置斜拉結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。托架結(jié)構(gòu)形式及墩木布置見圖1。

2.2 吊運(yùn)托架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核分析

圖1 吊運(yùn)托架結(jié)構(gòu)形式及墩木布置

某救護(hù)艇的重量分布以及托架結(jié)構(gòu)在吊運(yùn)時的托架受力情況分布如下：FR5肋位的邊墩和龍骨墩承受艇體FR0～FR9肋位的重量，F(xiàn)R12肋位的邊墩和龍骨墩承受艇體FR9～FR14.5肋位的重量，F(xiàn)R17肋位的邊墩和龍骨墩承受艇體FR14.5～FR20肋位的重量，F(xiàn)R23肋位的邊墩和龍骨墩承受艇體FR20～FR26肋位的重量，F(xiàn)R29肋位的邊墩和龍骨墩承受艇體FR26～FR32肋位的重量，F(xiàn)R35肋位的邊墩和龍骨墩承受艇體FR32～FR37.5肋位的重量，F(xiàn)R40肋位的邊墩和龍骨墩承受艇體FR37.5～FR47肋位的重量。每個龍骨塢墩自重0.5 t，邊墩自重0.3 t。根據(jù)艇體吊運(yùn)過程中的受力情況，對有限元模型施加邊界條件以及相應(yīng)的載荷。

每個龍骨塢墩和邊墩與托架的受力面積為其在托架表面上的投影接觸面積減去托架上的圓形開孔面積，根據(jù)每個龍骨塢墩和邊墩的承受載荷和接觸面積，在托架上施加均勻的壓強(qiáng)表示托架的受力情況，托架受力大小見表1。托架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核見圖2。

表1 托架受力表

對吊運(yùn)托架進(jìn)行有限元分析發(fā)現(xiàn)，托架各部件強(qiáng)度均滿足強(qiáng)度計(jì)算要求，而且托架上各構(gòu)件的壓縮應(yīng)力均比較?。ㄗ畲蟛课徊怀^10 MPa），因此不會發(fā)生屈曲變形，托架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。

圖2 托架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

2.3 吊運(yùn)托架承重試驗(yàn)

為驗(yàn)證吊運(yùn)托架具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和吊運(yùn)能力，吊運(yùn)托架制作完成后需做超載承重試驗(yàn)[2]。

1）承重載荷75 t（下水時艇與墩木總重量約60 t，安全系數(shù)取1.25），并在托架上進(jìn)行布置（每處壓載鐵為5 t）。

2）吊點(diǎn)選擇吊運(yùn)托架6個眼板，同時起吊。

3）靜態(tài)吊重試驗(yàn)時，將托架吊離地面100 mm，保持懸掛時間不少于10 min。檢查時，吊運(yùn)托架各構(gòu)件應(yīng)無異常變化，托架結(jié)構(gòu)連接應(yīng)安全可靠。

4）動態(tài)吊重試驗(yàn)時，在托架緩慢提升至離地2 m左右時，將托架橫向移動5 m，再緩慢下降約1 m距離。反復(fù)試驗(yàn)2～3次，檢查吊運(yùn)托架的可靠性。托架承重試驗(yàn)見圖3。

圖3 托架承重試驗(yàn)

2.4 吊運(yùn)下水方案

為最大化利用工廠吊運(yùn)資源，使用340 t碼頭吊實(shí)施救護(hù)艇下水。由于340 t碼頭吊只有一個吊頭，單吊點(diǎn)吊運(yùn)艇下水難度較大，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)反復(fù)演算確定下水最佳方案如下：

1）下水前3天按吊運(yùn)方案進(jìn)行試吊，試吊時高度不大于200 mm，試吊時間不少于3 min。起吊前確認(rèn)起重機(jī)、吊杠、整個艇體、眼板及吊裝索具等均無任何異常后方可起吊。起吊時一定要平穩(wěn)，眼板受力要均衡，不允許存在瞬間沖擊力。

2）使用340 t碼頭吊將艇及吊運(yùn)托架整體起吊，托架底面距平板車面100 mm，保持5 min，檢查艇及托架整體起吊狀態(tài)，確保整體平穩(wěn)、平衡，橫傾和縱傾角度不大于0.5°。

3）使用340 t碼頭吊將艇及吊運(yùn)托架整體起吊至距平板車面1 000 mm高度，緩慢平穩(wěn)逆時針回轉(zhuǎn)，將艇及托架吊運(yùn)至海面正上方，在即將到達(dá)下水位置時，340 t碼頭吊需逐漸平穩(wěn)減速至靜止。吊車吊頭下降，使吊運(yùn)托架及艇體進(jìn)入水中，完成艇下水工程。艇與吊運(yùn)托架整體吊運(yùn)下水見圖4。

圖4 艇與吊運(yùn)托架整體吊運(yùn)下水

3 轉(zhuǎn)運(yùn)方案設(shè)計(jì)

3.1 綁帶設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)艇與托架整體拖帶轉(zhuǎn)運(yùn)及吊運(yùn)裝船，利用工廠半潛式船臺將艇坐墩在托架墩上，使用9根8 t栓緊帶封固成整體，同時安裝吊運(yùn)索具。艇與托架綁扎見圖5。

圖5 吊架轉(zhuǎn)運(yùn)綁扎效果圖

3.2 轉(zhuǎn)運(yùn)拖帶過程中栓緊帶、拖帶纜繩受力及安全性分析

救護(hù)艇需由拖船由船廠碼頭拖帶至外運(yùn)貨船碼頭，由于拖船以不大于6 kn（3.1 m/s）的航速拖帶醫(yī)療艇及托架低速航行，為確保拖帶過程中救護(hù)艇及托架的安全性，對拖帶纜繩、栓緊帶及托架進(jìn)行安全分析。

使用9根8 t栓緊帶封固成整體，從艉至艏單側(cè)栓緊帶編號為1～9號，栓緊帶額定抗拉能力見表2。從表中可知，全船栓緊帶垂向抗拉能力為1 205.4 kN，船首方向抗拉能力為372.4 kN，船尾方向抗拉能力為107.8 kN。

表2 栓緊帶額定抗拉能力表（單位：kN）

1）拖帶過程中栓緊帶受托架拉力計(jì)算

（1）垂向力計(jì)算

全船栓緊帶垂向總承重能力為1 205.4 kN，轉(zhuǎn)運(yùn)托架總重14 t（137.2 kN），遠(yuǎn)小于栓緊帶垂向總抗拉能力（1 205.4 kN）。平均每根栓緊帶受垂向拉力9.212 kN。

（2）縱向力計(jì)算

為保證安全余量，假設(shè)拖輪沿船長方向以航速10 kn（5.2 m/s）拖帶救護(hù)艇，已知數(shù)據(jù)海水密度ρ為1.025 t/m3、托架與海水相對運(yùn)動速度v為5.2 m/s、托架濕表面積S1為322.76 m2、摩擦阻力系數(shù)Cf為0.001 87。則托架在被拖帶時受水摩擦阻力為

計(jì)算得到F=8.4 kN。

由于摩擦阻力約占水黏性阻力的70%～80%，根據(jù)式（1）可得到托架受水總阻力約12 kN，遠(yuǎn)小于栓緊帶船首方向總抗拉能力372.4 kN[3]。

經(jīng)計(jì)算分析，栓緊帶在垂向及船首拖帶方向受托架拉力均遠(yuǎn)小于其額定抗拉能力，栓緊帶強(qiáng)度能夠滿足拖帶本次作業(yè)安全性要求。

2）拖帶過程中拖帶纜繩受力及安全性分析

（1）艇體總濕面積

根據(jù)艇外板線型量取每站橫剖面型線半圍長l，沿船長方向積分可得艇體側(cè)濕面積S為

式中：Lwl為設(shè)計(jì)水線長，取值21m；l為每站橫剖面型線半圍長，根據(jù)型線圖量??；dL為站長微分，計(jì)算得到S=197.4 m2。

根據(jù)型線圖量取艉封板濕面積為3.4 m2，則艇體總濕面積S2為200.8 m2。

（2）艇受水總阻力

為確保本次拖帶安全，假設(shè)拖輪沿船長方向以航速為10 kn（5.2 m/s）拖帶救護(hù)艇。已知數(shù)據(jù)海水密度ρ為1.025 t/m3、艇與海水相對運(yùn)動速度v為5.2 m/s、被拖艇總濕表面積S2為200.8 m2、摩擦阻力系數(shù)Cf為0.001 87，則艇在被拖帶時受水摩擦阻力為

計(jì)算得到F′=5.2 kN。

由于摩擦阻力約占水黏性阻力的70%～80%，則被拖艇受水總阻力約為7.5 kN。

拖帶過程中拖帶纜繩受總拉力為被拖艇及托架受水的總阻力之和，通過對托架受水總阻力及艇受水總阻力的計(jì)算，得到拖帶纜繩受總拉力為19.5 kN[3]。

計(jì)算分析得到，本次拖帶使用Φ24龍須纜，抗拉強(qiáng)度為1 570 MPa的纖維芯鋼絲繩最小破斷拉力為300 kN，遠(yuǎn)大于拖帶纜繩受總拉力19.5 kN，拖帶纜繩強(qiáng)度能夠滿足拖帶本次作業(yè)的安全性要求。

4 結(jié)論

本文通過對某救護(hù)艇建造過程中的下水及轉(zhuǎn)運(yùn)工藝進(jìn)行研究，總結(jié)形成一套成熟的下水、轉(zhuǎn)運(yùn)工藝及通用的吊運(yùn)、托架工裝設(shè)計(jì)方法，為今后建造的艦船吊裝下水及轉(zhuǎn)運(yùn)工程奠定技術(shù)基礎(chǔ)。應(yīng)用本文論證的小型鋁質(zhì)船舶整體吊運(yùn)下水轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)，能夠大幅節(jié)省船舶建造成本，降低船廠塢期負(fù)荷，也可節(jié)省船舶下水及轉(zhuǎn)運(yùn)成本，包括塢期成本、開閘門施工成本、租用半潛駁船的費(fèi)用、吊裝施工及墩木施工工時成本等，在保證下水、轉(zhuǎn)運(yùn)安全性的同時，高質(zhì)量高效率完成下水、轉(zhuǎn)運(yùn)工程，有效提高船廠裝備專項(xiàng)保障能力和生產(chǎn)、設(shè)計(jì)能力，提升船廠市場競爭力。