適用于中小型船舶上墩、下水的變坡搖架設計

居惠紅

(1.中船第九設計研究院工程有限公司， 上海 200063； 2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術研究中心， 上海 200063)

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適用于中小型船舶上墩、下水的變坡搖架設計

居惠紅1，2

(1.中船第九設計研究院工程有限公司， 上海 200063； 2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術研究中心， 上海 200063)

摘要本文結合中船西江造船公司千噸級下水滑道改造工程，介紹了中小型船舶在平地建造，利用液壓頂升搖架變坡并結合滑道下水的工藝方案。搖架方案經濟、可靠，操作靈活方便，勞動強度小，具有較好的應用前景，廣泛適用于公務船、游艇、漁輪等制造企業下水設施的新建、改造工程。

關鍵詞船舶下水千噸級滑道設計創新

1項目背景

中船西江造船公司(以下簡稱“公司”)地處廣西省柳州市西江路，1965年建廠時由我院設計，為滿足山洞船臺船舶下水而建設，下水滑道分一級、二級滑道，其中一級滑道為弧形軌道，半徑R=1 124 m，水平投影長度230 m，二級滑道為坡度1∶10直線軌道，與該滑道配套的下水排車承重350 t，長度32 m，軌距3.0 m。

90年代后，在原一級下水滑道中部西側，先后建設了兩座水平室內船臺，室內船臺之間建設了橫移區。從此造船建設的重點從山洞轉向了室內車間，但同時下水工藝也因此而復雜起來，其下水工藝流程是：(1) 通過船排小車將船舶從室內車間拉曳至橫移區；(2) 在橫移區通過換墩使船舶轉由橫移小車承載，并將船舶橫移到滑道區下水排車上落墩；(3) 下水船排小車進入并坐落在排車上，通過換墩使船由下水船排小車承載；(4) 由絞車曳引，通過下水排車和一級滑道(船架坑)將船送至二級滑道接口處(坡度1∶10的直線滑道)，最后通過下水船排小車和二級滑道繼續將船送入水中[1]。

該方式下水操作繁復，勞動強度大，持續周期長，安全風險大，為了從根本上改進目前較落后的下水方式，提高下水操作安全性，急需對原弧形滑道相關設施進行改造設計。

2滑道設施概況

2.1滑道改造情況

2005 年，因柳州市紅花水電站建成蓄水，水位大幅抬高，對下水滑道產生影響而進行了改造。改造主要是將一級滑道0+145～0+230 m 樁段(注：系指距離滑道陸域端“0”軸線水平投影長度)弧形軌改造為坡度1∶10 的直線軌道，并與原二級滑道相銜接。在2008 年，公司對下水滑道0+76～0+145 m樁段弧線軌又進行了改造，在保留原有軌距3.0 m ，半徑R=1 124 m弧線軌下水功能前提下，在0+76～0+145 m 樁段增設了一組軌距4.2 m，半徑R=381.45 m 的弧形軌，并新建了一臺軌距4.2 m，長50 m 的1 000 t 下水排車。該下水排車和改建的軌距4.2 m，半徑R=381.45 m 的弧形軌可滿足重量為1 000 t 的船舶下水，其中：

(1) 新建50 m下水排車最大下水重量1 000 t，運行軌道軌距4.2 m，軌道圓弧半徑R=381.45 m，弧形軌道所處樁段范圍0+76～0+145 m。

50 m下水排車技術參數：外形尺寸50 m×5.8 m×2.028 m，輪距1.2 m，架面橫移軌距0.8 m，船架最大輪壓310 kN，共84 個走輪(單根軌道42 個走輪)。架面上設置軌距3.0 m 軌道，與弧形軌道相接。

(2) 配制下水船排小車14 臺，載重量120 t，軌距3 m，輪距1 100 mm。

(3) 配制下水滾輪車1 臺，載重量350 t，軌距3 m，輪距1 250 mm。

(4) 設置拉力為500 kN 的絞車一臺，通過滑輪組成三道鋼絲繩受力牽引，牽引力1 500 kN。

2.2存在問題

船舶采用弧形滑道方式下水是特定歷史、廠址地形及水文條件下的產物，當時下水設計船舶總長僅40 m，型寬4 m，下水重量不大于300 t。之后，根據發展需要，在原山洞船臺(110 m×20 m)下方，滑道西側又陸續建設了室內船臺車間(60 m×24 m×2 跨)兩座，兩座船臺相隔橫移區對稱布置，每跨均設置縱移軌道及船臺建造工位。

橫移區長72 m，寬度70 m，設置軌距0.8 m 橫移小車軌道14 組。在原有1#弧形軌道0+76～0+145 m 軸線位置新增了軌距4.2 m的2#弧形軌道船架坑。由于橫移區與2#弧形軌道位置的相對限制，新增配套的50 m 排車在船架坑頂端并未與橫移區保持水平(架面呈1∶20 坡度)，2008年改造時雖然增加了公司造船能力，但隨著設計船型的變化(自重最大850 t，船長約60 m)，船舶橫移及下水操作勞動強度明顯加大，工時增加，安全性缺乏保障。工藝方案存在不足，效率較低，已顯落后。改造前廠區下水設施狀況如圖1～圖3所示，包括橫移區、一級滑道(弧形段)、船架坑及二級滑道等。

圖1　一級(弧形段、含船架坑)、二級滑道概貌

圖2　下水排車及船架坑現狀

圖3　船舶下水現場

3變坡搖架下水滑道設計

3.1設計綱領船型

由于受柳州地區航道、水路通航建筑物限制，公司目前及今后相當長時間代表性產品主要以高附加值中小型特種船舶產品為主，如公務保障船，遠洋漁船，甚至鋁合金游艇等，其具體參數如表1所示。

表1　典型代表產品參數

3.2變坡搖架方案設計

為了提高下水安全性，適應目前主要訂單產品的建造及下水要求，考慮采用搖架方案完成船舶的橫移及變坡下水。在二級下水滑道、水平室內船臺及橫移區不改造的前提下，設想利用搖架替代一級下水滑道，下水船排小車坐落在搖架上，船橫移到下水船排小車上后，不必再換墩，通過擺動搖架，使搖架架面軌道與原有二級滑道軌道相接，然后通過搖架上的下水船排小車和二級滑道將船經鋼絲繩曳引緩緩送入水中。

針對本工程項目，搖架主尺度為50.0 m(長度)×5.8 m(寬度)×2.5 m(高度)，承載重量1 000 t(含下水船排小車等輔助設施重量)。搖架不同于原50 m排車，需要經走輪在船架坑內利用弧形軌道行走一段距離后變坡至1：10，再與二級軌道對接，省卻了走輪系統及其軌道，顯著縮短了船架坑長度，提高了場地利用率，并可由水平狀態利用液壓千斤頂直接將船舶調整為需要的坡度，完成鎖定后，與直線段二級下水滑道對接。本項目改造方案搖架架面標高為85.65 m(1956年黃海高程，下同)，與橫移區地坪標高相同。通過設置在搖架下端的兩個液壓頂升裝置，可實現與二級下水滑道的無縫對接。另外，為滿足船舶的橫移及縱移下水，搖架架面設有橫移小車及下水船排小車軌道。

搖架架面縱移軌道荷載： 350 t滾輪車輪壓450 kN/輪，輪距0.85～1.25～0.85 m，下水船排小車120 t/臺，中心距約3.5 m，連續布置，輪壓330 kN/輪，輪距1.1 m，共13臺；下水船排小車輪徑540 mm，每根滑道上共30個輪子，鋼軌型號為P38；考慮船舶尾浮時位置不在搖架上，搖架設計不考慮滾輪車輪壓。

搖架架面橫移軌道荷載：50 t橫移船臺小車軌距0.8 m，輪距1.0 m，輪壓150 kN，四個走輪。兩臺小車橫向中心距4.0 m。搖架變坡工藝方案布置如圖4所示。

圖4　搖架變坡工藝方案布置

3.3滑道主要參數

(1) 設計下水水位。

2005年柳州紅花水電站建成蓄水，使得公司臨西江水位提高了十多米，并常年保持在77.5 m。

(2) 滑道標高。

室內船臺及橫移區地坪標高為85.65 m，滑道末端標高為設計下水水位與滑道末端水深之差，直線船排滑道末端水深應按公式計算：H= Tf1+a+h1+ht1+(0.8～0.9)Lbp.i。

式中：H為滑道末端水深的數值， m； Tf1為首節船排處船舶吃水，m； a為裕度，取0.3 m；h1為首節船排上的曲線邊墩高度， m； ht1為首節船排及墊木高度，m；Lbp為船舶垂線間長度，m；i 為滑道坡度。

經計算，滑道末端水深為9.5 m，滑道設計下水水位77.5 m，則滑道末端標高為68 m。搖架變坡至1∶10坡度后，首端高出橫移區地坪2.24 m，尾端低于地坪2.74 m，即二級直線滑道頂端標高為82.91 m。

3.4拉曳系統

船舶經滑道上坡時，總的牽引力根據機械化滑道設計規范(CB/T8523-2011)相關公式計算。由于移船距離較長，要求牽引速度恒定，應采用帶儲繩筒的摩擦式絞車[2]。船舶上墩時總曳船力包括：

(1) 沿滑道上排時，設計船舶下水重量及移船設備自重沿斜面的分力T1；

(2) 走輪的摩擦阻力T2；

(3) 啟動時的慣性力T3；

(4) 風壓作用在船舶和移船設備上的阻力T4。

經計算總曳船力為1 385.2 kN，主拉點設置在下水滾輪車上，絞車鋼絲繩出繩拉力500 kN，在滑輪上繞三道組成拉點，拉力1 500 kN。下水船排小車之間采用拉桿連接緊固，確保安全。

3.5水工結構

(1) 水工結構改造工程內容。

① 二級下水滑道向上延伸，水平投影長度23 m，標高為80.605～82.905 m；

② 改建搖架坑及搖架基礎；

③ 在搖架頂端增設1 500 kN地牛。

(2) 安全等級及使用年限。

工程等級為Ⅱ級，結構改造后使用年限為50年。

(3) 結構改造方案。

① 滑道接長。

滑道水平投影長度23 m，標高為80.605～82.905 m，采用現澆倒T形梁結構，梁下設素砼墊層和碎石墊層，分段長度為5 m。

② 改建搖架坑和搖架基礎。

改建搖架坑采用現澆鋼筋混凝土擋土墻結構，擋土墻外側為直立式結構。坑內底板采用現澆鋼筋混凝土結構。

搖架基礎采用鉆孔灌注樁基礎墩臺結構。

③ 增設1 500 kN地牛。

增設1 500 kN地牛，采用天然地基基礎上的鋼筋混凝土墩臺結構。

3.6搖架設備工作原理及組成

3.6.1概述

新建1 000 t搖架為公司滑道改造中的設備部分，用于替代原一級下水滑道，下水船排小車坐落在搖架上，船舶通過橫移小車橫移到下水船排小車上后，不必再換墩，通過擺動搖架，使搖架架面上軌道與二級滑道軌道相對接，然后通過搖架上的船排小車和二級滑道通過拉曳絞車鋼絲繩緩緩將船送入水中。

3.6.2主要技術參數

搖架主尺寸：50 m×5.8 m×2.5 m(長×寬×高)；

承載重量：1 000 t；

下水船排小車軌距：3 m；

橫移船臺小車軌距：0.8 m；

搖架上鋪設軌道型號：P38；

兩側頂升柱塞缸壓力(單個)：400 t；

柱塞缸行程：1.36 m；

柱塞缸工作壓力：25 MPa；

柱塞缸柱塞直徑：@450 mm；

柱塞缸外徑：@800 mm；

下水滑道坡度：1∶10。

3.6.3搖架設備總體布置

搖架總體布置及油缸柱塞落位、頂升狀態如圖5所示。

圖5　搖架總布置及油缸柱塞落位、頂升狀態

3.6.4設備工作原理

本工程新建的1 000 t搖架其上下擺動主要通過設置在搖架下端水域側的兩臺液壓柱塞缸的頂升及回落使搖架能繞著支鉸旋轉一定的角度。

當柱塞頂升到最高位置時，此時搖架擺動到最高位置，搖架面與橫移區面平齊，隨后橫移小車承船可通過橫移區上下搖架。當柱塞缸回落到低位時，此時搖架擺動到最低位置，搖架面坡度與下水滑道坡度一致，此時下水船排小車承載船舶經上端絞車鋼絲繩牽引可縱向上、下搖架，完成船舶的下水或者上墩操作。

3.6.5設備組成

1 000 t搖架主要由架體結構、鉸支座、頂升機構及電控系統等組成。架體結構主要由兩根變截面箱型梁縱向布置組成，兩箱梁中心距3 m，下水船排小車軌道布置在兩箱梁上，中心距也為3 m。兩變截面箱形梁之間設有多條橫向聯系梁，該聯系梁也采用箱型結構，橫移小車軌道布置在橫向聯系梁上，軌距0.8 m。

架體中部兩側設有2個鉸支座，用于支撐搖架及搖架的擺動，鉸支座采用開口形式，方便架體安裝。頂升機構主要由兩個液壓頂升柱塞缸組成，柱塞行程約1 360 mm，即能夠將搖架抬升1 360 mm。單個頂升柱塞缸頂升力400 t。

搖架縱剖面即船舶橫移上搖架及船舶下水時搖架狀態如圖6所示。

圖6　船舶橫移上搖架及船舶下水時搖架狀態

4結語

船舶在水平船臺建造完工后，利用液壓頂升搖架變坡并結合傾斜滑道下水的方案，豐富了機械化滑道下水的方案選擇，填補了國內空白，設計有一定創新。該項目成功的關鍵是搖架平臺足夠輕巧，造價合理，其液壓油缸設備運行安全可靠，易維護。采用搖架設備下水船舶，場地布局緊湊，勞動強度小，安全可靠，具有較好的應用前景，可廣泛適用于沿海或內河高水位差地區中小型制造企業(如公務船、游艇、漁輪等)的規劃、新建或改擴建工程。

參考文獻

[1]中船第九設計研究院工程有限公司. 中船西江造船有限公司基礎設施和節能減排項目初步設計[R]. 上海：中船第九設計研究院工程有限公司，2011.

[2]中華人民共和國工業和信息化部.CB/T 8523-2011機械化滑道設計規范[S]. 2011.

Design Innovation on Cradle Suitable for Small and Medium Ship

JU Hui-hong1，2

(1. China Shipbuilding NDRI Engineering Co., Ltd., Shanghai 200063, China;2. Shanghai Research Center of Ocean & Shipbuilding Engineering, Shanghai 200063, China)

AbstractBased on Xi-Jiang Shipbuilding Company reconstruction project of the kiloton ship slipway, this paper demonstrates and illustrates the construction method of small and medium ship on the berth built, and launch into water by applying longitudinal cradle combing with slide-way. Owing to the characteristics of economy, reliable, flexible and easy to operate, cradle scheme owns good prospects, and is capable of widely using in the new building and renovation projects for official boats, yachts, and fishing boats manufacturing companies.

KeywordsVessel launchingKiloton scale slide-wayDesign innovation

中圖分類號U673

文獻標志碼A

作者簡介：居惠紅(1979-)，男，高級工程師，主要從事船塢、船臺、滑道等工程設計。