船舶气囊式下水船台的形状研究

朱 彬，凤岳良

(1.南通润邦海洋工程装备有限公司，江苏 南通 226255；2.中国船级社江阴办事处，江苏 江阴 214431)

船舶气囊式下水船台的形状研究

朱 彬1，凤岳良2

(1.南通润邦海洋工程装备有限公司，江苏 南通 226255；2.中国船级社江阴办事处，江苏 江阴 214431)

为了降低中小型船厂的基础建设投资成本，通过对下水过程的计算和分析，提出了气囊下水船台水下部分形状的设计和改造。船台设施和下水工艺的改善，为建造中小型船的船台设计提供参考，并为建造船舶自重小于2 500 t的船厂在气囊式下水船台设计方面提供了理论基础。

气囊下水；下水船台；下水工艺

0 引言

20世纪80年代开始，我国开始研究气囊下水技术并应用于实际。该下水技术的应用，使得船舶下水省时、省力、省成本。但是，目前大多数船舶下水技术研究专注于大吨位的船舶下水力学方面，很少对船台形式、船台辅助设备、工装方面进行研究。本文根据船舶静力学原理[1]，在船台形式、船台形状及辅助设备方面进行了探讨，对船舶气囊下水船台方案进行计算和分析，提出了适合气囊下水的船台改造办法。

1 气囊下水的船台特点

船舶建造船台一般分为滑道式、滚珠式、机械式等3类，以滑道式为主流。这些方式是传统工艺技术的代表，也是大型船舶建造企业必须具备的条件之一。但这些工艺技术基建费用高、维护成本也较高，对中小型企业来说，是一笔不小的投入，提高了船舶建造成本的估价。气囊下水船台以其低廉的投资，较少的维护费用及低要求的设计满足了船舶下水的要求，并且气囊的使用可以是重复性的，从而减少了船舶下水的总费用。

气囊下水船台具有低成本、高回报，低要求、高效率的特点。在该船台上实施船舶下水作业，准备时间短，实施方便，易于控制。

船台面为直线型，水下部分为曲线型。通过船舶在尾浮时的状态和位置，结合船厂所建造船舶的大小形式，可确定船台水下部分的形式主要有直线型、折线型、圆弧型等3种，其示意图分别如图1～图3所示。

图1 直线型船台

图2 折线型船台

图3 圆弧型船台

2 气囊式下水船台设计的考虑因素

2.1 3种船台形式的优缺点

(1)直线型。该船台简单易做，但船舶下水时，需要水下部分较长，才能有较高的水位使船舶全浮，并且由于只有一种坡度，船舶在船台上建造的高度较高； 如果水下部分短，会造成船滑末端气囊压力大而发生气囊爆裂事故。

(2)折线型。该船台通过2次或3次折线，可以减少船台水面以上的坡度。但这种变坡度的折线型船台，在船舶下滑过程中，气囊容易因受压不均匀引起气囊受损或船底碰撞船台面而导致船体损坏。

(3)圆弧型。通过2次折线过渡，在折线的水下区域，计算出圆弧和直线进行过渡，使该船台形式既具有折线型的优点，同时又利用曲率的逐步降低，达到坡度逐渐增加的效果。该形式的船台比直线型、折线型有更好的力学性能，而且气囊的高度减小较慢，从而使气囊有更好的支持力[1]。

2.2 气囊下水工艺分析

气囊式下水船台不需建造滑道，仅需建造好船台面基础即可。根据重力式下水原理，船台可采用坡度设计，但坡度不宜太大，需根据计算选择坡度，以船舶具备下滑力的大小及能否有效下滑为前提条件[2]。大船取小值，小船取大值，一般为1/12～1/24[2]，视具体船型而定。

气囊充气并达到规定的压力要求后，实际上，可以将气囊近似地视为一个弹性体[3]进行受力分析和研究。在船舶下水过程中的研究分析计算中，通常将船舶下水分为3个阶段：

(1)船舶下滑到船尾开始入水阶段。船舶在船台上从静止状态到开始下滑，船舶的坡度是下滑力的基础。船舶在此阶段受3个方向的力：由重力引起的下滑力、气囊的反力、小车的牵引力。

(2)船尾入水到船尾开始上浮(艉浮)阶段。在此阶段内，除了以上的力之外，船舶还受到水的浮力以及阻力。

(3)船尾开始上浮到船舶全浮阶段；此阶段内，船舶最主要是受船台的反力以及水的浮力。

用气囊下水工艺进行船舶下水时，其整个下水过程也可参考此下水3个阶段。在气囊作为一个弹性体的条件下，通过船舶在下水过程中形成的各类浮态及静力学相关理论的支撑下进行近似的计算，从而获得相对准确的数据和结果后，再进行分析、研究数据，并结合整个下水的过程，综合考虑船厂拟定位建造的船型大小，计算分析出适合船厂定位建造船舶的船台形式。另外，还需结合长江潮汐水位差的情况分析船台末端适宜的水位。

3 潮位特征分析和选用

根据国家海事部门每年所发布的《XX港潮汐表》预报潮位站位置分布情况，确定预报潮位。设计下水水位根据该处水文条件确定：年保证率为50%～80%的水位作为设计下水低水位；选取高潮10%的潮位作为设计下水高水位[4]。

4 气囊下水船台曲线段的确定设计实例

为确保安全下水，气囊式下水船台引入圆弧型设计。设计时，应从2个方面考虑曲线段：一是通过下水计算确定出船台水下部分的长度，二是通过水下长度根据几何学原理，计算出曲线的弧形。根据以上计算确定出曲线后，要校核气囊在运行过程中的压缩量是否满足许用压缩值。

一般的气囊式下水船台属于半坞式的：船台的坡度较小，通常为1/60～1/75之间，并且船台的靠水侧一端均低于水平面以下，船台与水道之间设置有坞门。目前下水的方法为：将船舶滑行至预定地点或位置，待水位上涨船舶全浮后再拖至指定位置。由于气囊式下水船台一般都为简易型船台，船台均用混凝土浇注而成，特别是水下，均为淤泥，很少会使用混凝土形成水下船台部分。在气囊下水过程中，由于接触面不平，导致气囊受压不均，从而发生引起损坏气囊，甚至损坏船体外壳板的事故。

结合实船的下水计算分析，找出一个解决实际气囊下水船台设计的办法。本文通过实际船型——海工辅助支持船的计算和分析，用于验证该船台的设计方法。该船的主要参数为：

船型

海工辅助船

总长

70.7 m

垂线间长

63 m

型宽

16.0 m

型深

7.2 m

结构吃水

6.2 m

方形系数

0.71

下水重量

2 200 t

(1)通过静水力学、邦戎表计算出船舶下水时各阶段的受力、浮态和滑行距离等数据以及艉浮、全浮时的滑行距离作为所建造船台长度的参考值(在此不作描述)。2次折线的坡比区域为1/15～1/20之间[1]。经下水计算后，得出实船设计下水水位为2.43 m(以85国家高程为基准面)，整个水下滑行长度为60 m。考虑到所建船舶的船型定位情况，取 65 m作为最终的水下船台长度。

(2)圆弧段的几何图形如图4所示。图中，根据几何学原理，对2次折线的船台纵向形状进行图形设计和分析研究，主要目的是通过分析和计算，使得圆弧曲线和直线段形成几何图形上的过渡：直线和圆弧相切圆滑过渡，过渡点(即切点)为A，通过已知条件及几何学分析和运算，从而计算出圆弧所属圆的半径R值。

图4中，A为直线段/圆弧段切点；B为圆弧段末端，即船台末端；C为直线AB的中点；α1为船台直线的坡比角，即=∠EBF；α2为直线AB的坡比角，即∠ABF；β为直线BA和GA的夹角。

图4 计算圆弧段的几何图形

简要计算如下：

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)如图5所示，通过船底气囊有效接触长度的两端位置到船台面(即地面)的距离，检查船舶通过过渡点A(切点)时，C点处船底至船台面的距离值H1与A点位置的船底到地面的距离值H之间的差值，即A点处气囊实际压缩最大值，是否小于气囊许用压缩最大值，公式表示为：H1-H≤气囊许用压缩最大值。如果该实际压缩值大于许用压缩值，则气囊压缩量是不安全的，气囊可能会产生撕裂或爆裂的安全隐患。图5中，A为直线段/圆弧段切点；B为圆弧段末端，即船台末端；C为艏部放置气囊位置；H为A点处船底到地面距离；H1、H2分别为艏艉端船底距地面距离。

图5 气囊布置简图

(4)由于船舶在艉浮前，理论上，整个船体仍然沿着船台面做近似直线运动，并且气囊一直在船底和船台之间滚动，因此在整个计算考虑过程中，还要计算船舶在艉浮前，在船舶底部沿长度方向两端的气囊以及船长范围内的每个气囊是否满足距离和气囊压缩量之间的关系。

(5)整个坡道设计为水泥地基础，其承压力应大于使用气囊的工作压力的2倍以上[3]。以此为依据，结合土建学理论，可以设计出适用于气囊下水船台的混凝土基础。

5 气囊下水船台上设备选用

船舶通过气囊下水时，船舶首部要使用普通绞车及滑轮组进行牵引制动。一般选用低速绞车，其放缆速度为9～13 m/min。

下水船舶下滑力和绞车钢丝绳的牵引力按以下两公式计算：

FC=Qgsinα-μQgcosα+QV/T

F≥KFC/(NCcosβ)

式中：FC为下水船舶下滑力，kN；Q为船舶自重，t；g为重力加速度，g=9.8 m/s2；α为坡道倾角，(°)；μ为坡道摩擦系数；V为移船速度，m/s，通常不大于0.1 m/s；T为绞车刹车时间，s；F为绞车钢丝绳的牵引力，kN；K为安全系数，K=1.2～1.5；NC为钢丝绳道数；β为牵引钢丝绳与坡道的夹角，(°)。

另外，在船台两侧的前后和中间位置，均应设置拉桩，安全负荷(SWL)通过下滑力及牵引力的数值进行综合考虑，一般为10～18 t左右。

6 结语

通过对参考船舶的下水计算，得出所建造船舶的总体浮态、下水滑程、承受力、下滑力等数据，假定船舶在艉浮前作近似直线运动，在此基础上，再对船台的形式通过几何学及运动分析的方法，得出船台面形状的曲线数据，这对船舶气囊安全下水以及气囊下水船台的设计具有较强的指导意义。计算结果表明，船台坡道由直线和圆弧线组成，整个气囊的下水过程是安全和可靠的，满足工作要求。

[1] 吴剑国，杨梭，张凯敏，等.气囊下水船台的形状优化[J]. 船舶工程，2010，32(4)：56-59.

[2] 盛振邦，等.船舶静力学[M]. 北京：国防工业出版社，1984.

[3] 任慧龙，李陈峰，陈占阳. 船舶气囊下水安全性评估方法研究[J]. 中国造船，2009，50(12)：53-60.

[4] CB/T 8502-2005，纵向倾斜船台及滑道设计规范[S].

[5] CB/T 3795-1996，船舶上排、下水用气囊[S].

2013-08-26

朱彬(1972-)，男，工程师，主要从事船舶设计、船舶工程、建造工艺等工作；凤岳良(1970)，男，工程师，从事船舶检验工作。

U671.5

A