1500DWT散貨船氣囊下水工藝計算

胡飛榮

(江西省港航管理局贛州分局)

1 引言

船舶氣囊下水是我國獨創的新型下水技術，該技術以其節省船廠投資成本、對坡道狀況要求低、不損害船體、機動靈活等優點，為中小型船舶企業發展起到了極大的推動作用。但是，對于中小船廠，由于對船舶氣囊下水受力分析缺乏較為系統的理論依據，通常只能憑經驗估算，這給該工藝造成了一定的安全隱患。本文通過建立船舶氣囊下水的受力模型，重點根據滾動摩擦機理建立氣囊滾動摩擦力的近似計算公式，進而確定船舶氣囊下水下滑力。并以此論證了一艘1500DWT散貨船氣囊下水工藝的安全性。

2 船舶氣囊下水的受力情況分析

2.1 下水過程受力分析

船舶在下水過程中的受力主要有:船體重力、氣囊的支持力、氣囊的滾動摩擦阻力、入水部分船體的浮力、絞車等的牽引力以及水對船體各種阻力等等。本文為船舶下水工藝設計，因此只考慮決定船體下滑運動的幾種受力，主要有:①船體的重力G，其沿船臺方向的分力Gsinα構成下滑力;②絞車剎車時，船體的慣性力mv/T;③氣囊的滾動摩擦阻力f1;④絞車鋼絲繩的牽引力n·f2(n為絞車鋼絲繩的根數)。由此建立如圖1所示的船舶氣囊下水的受力模型。可在船體基線方向的建立平衡方程(1)

式中的G、船臺坡度θ以及絞車放纜速度v可分別從船舶圖紙資料和船廠資料中查閱計算得到，n為絞車鋼絲繩的根數。以下重點分析氣囊的滾動摩擦阻力f1的計算。

圖1 船舶氣囊下水過程受力圖

2.2 氣囊下水摩擦阻力F1的計算

船舶使用氣囊下水時，氣囊為彈性柱體，地面和船底平面可近似作剛體。氣囊在運動過程中受到壓縮應力和剪切應力的作用而產生彈性形變。彈性滯后損失，就是組成滾動摩擦阻力的主要因素。由于彈性滯后現象存在，滾動時消耗功與復原功之差，可用圓柱體所做的功φ與彈性滯后系數α的乘積來表示為αφ，這部分彈性形變能量就造成了滾動摩擦阻力

由剛體滾動理論可知當剛性圓柱體沿彈性基礎滾動時，由接觸區前部的壓力引起的力矩:

式中:N為圓柱體全長上的載荷;b為接觸面積的半寬。

將(4)式代入(2)式得:

由滾動摩擦系數的定義便可得到氣囊的滾動摩擦系數:

式中:α為彈性滯后損失系數;b為氣囊的接觸面積的半寬;R為氣囊的半徑。

據有關資料，α≈3.3a，a為單軸拉伸壓縮試驗中對材料的滯后損失系數。橡皮的單軸拉伸試驗表明a=8％，于是

氣囊的運動看成是彈性柱體在剛性平面上滾動，其滾動摩擦機理與剛性柱體在彈性平面上滾動相同。因此，參照剛性柱體在彈性平面上滾動摩擦力的分析，氣囊的受壓狀態簡化為滾子在水平無滑動的滾動，且滾子上面的第二個平面用載荷N壓住的力學模型如圖(2)所示。

圖2 受囊受力圖

在工程實際中，可以假設上表面的摩擦系數λ'與等于上表面的摩擦系數λ，忽略氣囊的自重。由前述分析可得，最小滾動摩擦阻力為:

式中:λ為滾動摩擦系數;N為氣囊承受的載荷;d為囊的直徑。

3 實船下水計算

現用上述公式來核算一艘1500DWT散裝貨船氣囊下水工藝中設備的安全性。船舶的主要尺度:總長72.10m，型寬13.46m，型深4.86m，空船重量 Q=530t，平底長度L=58m，方形系數Cb=0.824。船廠坡道較平整堅實，長度約120m，坡度θ1=8°。鋼絲繩絞車牽引力為20t，絞車放纜速度為9m/min。船廠現有氣囊規格為直徑D=1m、工作高度H=0.24m的中壓氣囊。本船下水工藝首先按照《船舶用氣囊上排、下水工藝要求》(CB/T3837-2011)計算出所需氣囊個數N及校核氣囊布置

本船下水時采用13個普通氣囊，氣囊長10m，直徑1.0m，平均每個氣囊承載407.69kN，氣囊的充氣工作壓力為0.077MPa。

(1)氣囊的承壓面積

式中:P為單個氣囊承重量;P1為氣囊的充氣工作壓力。

(2)計算氣囊接觸面積的寬度S和滾動摩擦系數λ

由式(5)計算出每個氣囊的滾動摩擦系數

(3)計算下水過程中氣囊總的滾動摩擦力F2

由氣囊漏氣造成接觸面積加大、道路不平整等因素，實際摩擦阻力F1=K·f1，K為條件復雜系數，一般K取1.1～1.4。本船K取1.2，計算出實際滾動摩擦阻力 F1=1.2×313.95=376.74kN。

由式(1)可得到絞車鋼絲繩牽引力(4道鋼絲繩)

因船廠絞車的牽引力為20t，即200kN，且采用的鋼絲繩最小破斷力為154kN，經核算該工藝滿足設備的安全使用。

4 結論

該船實際下水過程是安全、成功的，通過實踐證明以上的計算結果是正確的。船舶氣囊下水技術及工藝的優越性是顯而易見的，隨著相關技術和理論的進一步成熟，必定能夠使得其應用更加安全，更加廣泛。

[1] 船舶用氣囊上排、下水工藝要求(CB/3837-2011)[S].

[2] 高嵐虹，葉家瑋.船舶縱向重力式下水的預測模型[J].船舶，2000，(4).

[3] 朱珉虎，孫菊香.船舶氣囊縱向下水計算方法的研究[J].中外船舶科技，2008(4).