淺談一種船用車輛跳板的設(shè)計方法

◎鄭錦 蘇美達(dá)船舶有限公司上海分公司

滾裝船、車客渡船、甲板運(yùn)輸船及一些工程駁都需要滿足車輛上下船的功能，車輛跳板是這些船舶不可或缺的裝置。跳板按驅(qū)動方式主要分為油缸驅(qū)動和鋼絲繩驅(qū)動兩大類，按與船體的接觸方式可分為風(fēng)雨密式和敞開式。油缸驅(qū)動、風(fēng)雨密式跳板性能平穩(wěn)、外形美觀、造價高、工藝復(fù)雜等特點主要用于高級滾裝船、車客渡等。普通鋼絲繩驅(qū)動、非風(fēng)雨密型跳板由于造價低廉、維保容易、構(gòu)造簡單、操作方便等優(yōu)點在普通甲板運(yùn)輸船及工程駁應(yīng)用廣泛。本文結(jié)合250尺海工駁船鋼絲繩驅(qū)動車輛跳板的設(shè)計簡要介紹這種跳板的設(shè)計方法。

1.跳板系統(tǒng)的總體布置及工作原理

應(yīng)船東設(shè)計任務(wù)書要求，跳板的主要參數(shù)為：跳板長9.54m；跳板寬5.00m；跳板載荷7t/m2；跳板材質(zhì)，CCS A級鋼；最大載重55t車輛；限位角-20～83°；操作方式:電動絞車+鋼絲繩。

跳板布置如圖1所示。跳板系統(tǒng)工作原理如下：

圖1 跳板布置圖

1.1 跳板提升階段

電動絞車?yán)瓌愉摻z繩，鋼絲繩走向經(jīng)過1號滑輪由水平方向轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪狈较?。鋼絲繩通過2號滑輪改變方向，由跳板支架連接跳板本體。考慮到跳板在提升的過程中，跳板支架與跳板之間的夾角在不斷變化，驅(qū)動鋼絲繩與跳板的角度也降不斷改變，角度的改變通過3號滑輪實現(xiàn)。鋼絲繩通過4號滑輪，將鋼絲繩由右舷跳板縱向方向傳導(dǎo)到跳板橫向方向。5號滑輪作用與4號滑輪相似，在左舷將鋼絲繩由跳板橫向方向傳回縱向方向。6號滑輪與3號滑輪作用相似，通過該滑輪改變跳板支架與跳板之間鋼絲繩的夾角。鋼絲繩繞過各滑輪后，用閉式索節(jié)和眼環(huán)固定在跳板支架上。

1.2 跳板收起階段

當(dāng)跳板依靠電動絞車提升到與水平夾角86°時，跳板將不再繼續(xù)提升。考慮到跳板受到重力及風(fēng)浪作用，跳板還受到各方向的加速度，必須用鎖緊裝置將跳板本體與跳板支架鎖定，應(yīng)確保在任何海況下，跳板與跳板支架固為一體。當(dāng)跳板鎖緊后，鋼絲繩絞車不對跳板施加拉力，絞車停止工作。

1.3 跳板下降階段

當(dāng)船舶抵達(dá)滾裝碼頭，需要將船首跳板放下，供車輛及人員上下船只。當(dāng)解除跳板與跳板支架的鎖緊狀態(tài)后，跳板在重力的作用下，有下降的趨勢，此時在電動絞車鋼絲繩的約束下，可將跳板緩慢降下。跳板到達(dá)一定角度后，本船設(shè)為與水平夾角約負(fù)20度位置，限位錨鏈將跳板拉緊，跳板將無法繼續(xù)下降。此時可卸去電動的絞車的拉力。跳板在下降的過程中，滑輪及鋼絲繩的運(yùn)動方式與跳板提升過程中完全相反。

1.4 跳板在使用階段

跳板的一端依靠鉸鏈與船體結(jié)構(gòu)固定，鉸鏈約束跳板不能有位移但可沿鉸鏈中心線自由轉(zhuǎn)動。跳板在使用時，跳板的另一端搭載在碼頭上，此時車輛可自由上下跳板。跳板承受車輛的軸重和自身重量兩大載荷。

2.驅(qū)動鋼絲繩和電動絞車的選型

本船跳板的升降是由電動絞車驅(qū)動鋼絲繩，鋼絲繩驅(qū)動跳板。若絞車?yán)Σ粔驅(qū)o法驅(qū)動跳板，拉力過大造成設(shè)備性能浪費(fèi)增加建造成本。同理鋼絲繩強(qiáng)度不夠?qū)⒕哂邪踩[患，強(qiáng)度余量過大造成浪費(fèi)。故電動絞車?yán)Φ倪x取及鋼絲繩強(qiáng)度的選型是跳板設(shè)計的重要一步，當(dāng)跳板在與水平夾角為-20度時，拉力的力臂最小，拉起跳板所需拉力最大?？稍诖肆W(xué)模型下探討鋼索受力情況。

已知跳板重心距鉸鏈中心長度l’=5m，受力位置l=6.44m。跳板極限位置與水平夾角20°，跳板極限受力位置與跳板夾角為32°。根據(jù)結(jié)構(gòu)圖統(tǒng)計后得出，跳板自重約為W=13t。

根據(jù)力的平衡公式，有：

根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》計算滑輪組效率。

本跳板由動滑輪及導(dǎo)向滑輪組成，倍率m=2，軸承為滑動形式?；喗M效率為：η組=0.93，導(dǎo)向滑輪效率：η導(dǎo)=0.92。[1]

動絞車之鋼絲繩拉力計算：

根據(jù)鋼絲繩受力計算

實取鋼絲繩：GB/T 8918-1996 Φ24-6×37+IWR(1770MPa)

抗拉強(qiáng)度1770MPa，破斷拉力325kN[2]

考慮鋼絲繩系數(shù)0.82，鋼絲繩破斷拉力0.82×325kN=266.5kN

考慮安全系數(shù)取5，鋼絲繩能承受的拉力：

F=266.5/5=53.3kN＞0.5F

故艏起吊鋼索滿足要求。

驅(qū)動絞車選取為120kN電動變頻絞車，容繩量30mX?24。驅(qū)動速度6m/min。

3.跳板板材及骨材強(qiáng)度校核

3.1 概述

跳板的強(qiáng)度應(yīng)不弱于規(guī)范對車輛甲板強(qiáng)度的要求，故按中國船級社《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》（2018）第2篇第2章第21節(jié)的要求進(jìn)行校核。本船跳板強(qiáng)度滿足合計55t軸重掛式重卡。該型號重卡輪跡如圖2所示[3]。

圖2 55t載重汽車輪跡示意

跳板結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。因55t車輛太長，在任何時候車輛只有部分輪跡在跳板上，故本船跳板強(qiáng)度校核時選取車尾部的兩組14t軸重對跳板的作用力。選取兩組14t軸重在跳板極端位置時考慮跳板的強(qiáng)度。

圖3 跳板結(jié)構(gòu)俯視圖

3.2 跳板板材厚度計算[4]

式中，

圖5 船舶建造完成后跳板收起實拍圖

P=3.5+3.5=7.0噸（將兩個輪印視為一個輪印考慮）

輪印長度u=0.6m

輪印寬度 v=0.2x2=0.4mm

當(dāng)1≤u/v＜2時，

實取跳板板厚為12mm，滿足規(guī)范要求。

3.3 跳板橫梁強(qiáng)度計算[4]

式中，

實取橫梁為 T12×150+9×350（W=951.55cm3）

3.4 縱骨強(qiáng)度校核

在如圖4所示，縱骨可以簡化為端部固定，中間受兩個集中點載荷的力學(xué)模型，點載荷在兩的中間位置時，梁受到的彎矩最大。故需校核此種情況下的縱骨強(qiáng)度即可[5]。

圖4 縱骨受力模型簡圖

模型計算如表1。

表1 模型力學(xué)計算

所需橫梁剖面模數(shù)：

實取縱骨為T12×150+9×350（W=951.55cm3）滿足要求。

4.結(jié)束語

本文探討的這種鋼絲繩驅(qū)動船用車輛跳板設(shè)計方法，具有簡便易懂、設(shè)計效率高、可操作性強(qiáng)、現(xiàn)場建造方便、且無過多復(fù)雜計算，也無需計算機(jī)三維建模模擬等特點。但在實際設(shè)計中，跳板的布置受到艏部線型、船艏甲板機(jī)械布置干涉、碼頭實際狀況、上下跳板的車輛軸重等各種限制，在設(shè)計時不可能一蹴而就滿足要求。需要做多種方案、統(tǒng)籌考慮、不斷改進(jìn)優(yōu)化，盡可能在滿足使用要求的前提下，保證設(shè)計出的跳板滿足性能前提下成本更低。