船塢引船系統設計與分析

班國珍

（上海振華重工（集團）有限公司，上海 200125）

0 引言

引船系統的設計內容主要包括有牽引系統、引船軌道、牽引小車、橫向定位車等[1]。其中，牽引系統的設計主要為牽引絞車、張緊滑輪等的設計工作。一般而言，除了牽引絞車和張緊滑輪相對標準，可直接選擇外，其他產品均不具有標準性，均需單獨設計才能迎合工程需求。其中引船軌道、牽引小車和橫向定位車配套使用，每座船塢通常根據需求配置2臺牽引小車以及若干臺橫向定位車，牽引小車和橫向定位車體積相對比較小，自重輕，鋼材使用量不多；而引船軌道沿著船塢兩側布置，長度是隨著船塢長度進行設計，因此自重重，鋼材使用量多，在整個引船系統中成本占用的比重大。因此對引船軌道進行輕量化設計，可以有效地降低引船系統的建造成本。

以長360 m寬80 m船塢為例，在保證引船軌道和牽引小車強度等滿足工作要求前提下，用Pro/MECHANICA軟件的結構分析模塊分別對該引船軌道和牽引小車進行有限元分析計算進行論述,探討降低引船軌道、牽引小車以及橫向定位車的建造成本的設計方法。

1 引船軌道截面型式

為了維護和更換簡便，近些年來，引船軌道已經很少采用混泥土方式建造引船軌道，改用方便拆卸更換維護的鋼結構軌道式建造，即軌道為焊接件或鑄鋼件，整體機加工成型后用螺栓固定于塢壁上，其中包含有鉤式引船小車軌道、斜工字型軌道、正工字型軌道、箱型截面正工字型等[2]。目前，針對受力很大的大型船塢，使用較多的軌道形式是箱型截面正工字型形式。該型軌道截面由四塊鋼板圍焊而成，為加強軌道剛度截面，內設置縱橫隔板。上翼板作為垂直導輪和反滾輪軌道，腹板作為水平輪軌道，在與導輪接觸的平面上覆蓋一層鋼板條作為軌道踏面，這樣能在加強結構的同時，方便軌道面的加工。同時這種軌道能適應拖鉤向上和向下不超過23°的各種工況，并且其側向強度很高，能牽引噸位較大的船舶。同時，該型軌道因其截面的幾何特性好，穩定性高、剛度強、形狀整齊，引船小車在牽引作業時受力均衡，因此得到較為廣泛的應用。本案例屬于大型船塢，因此本軌道型式選擇箱型截面正工字型型式。

2 引船軌道設計

本引船軌道采用箱型截面正工字型型式，材料采用Q345B。引船軌道與基礎之間采用地腳螺栓連接，螺栓間距暫定為400 mm×400 mm，在軌道埋件上焊接抗剪塊。牽引小車滾輪布置方式相同，兩種小車長度為2400 mm，施加定位力反滾輪間距為900 mm。根據上述計算施加橫向力后，牽引小車受力如圖1所示。

圖1 牽引小車受力簡圖

其力學平衡方程如下：

經計算：

由上式可知，在橫向定位力大小一定的情況下，其“出繩距離地面的高度（H1）”和“定位車上垂直滾輪和反滾輪的間距（L1）”直接決定軌道的受力大小，所以設計定位車時應盡量降低H1高度，并加大L1。降低H1主要受橫向定位車布局的限制，在允許的情況下應盡量降低；加大L1就必須增加軌道的寬度，由于船塢引船軌道一般很長，增大了軌道的寬度，勢必極大地增加軌道的用鋼量，不利于軌道的輕量化設計，經濟性欠缺。另外軌道是安裝在塢壁沉箱上的，還會受到沉箱結構的諸多限制，設計軌道時還應統籌考慮。

由以上計算分析可知，引船過程中軌道會受到較大的橫向力，引船軌道是由螺栓固定在塢墻上的，而普通螺栓承受橫向力的能力較弱，單獨使用螺栓連接效果較差。在實際工程中，軌道安裝調整完成后可在軌道預埋件上焊接抗剪塊，這樣可以抵消螺栓所受到的橫向力，以下結構計算中也是按照有抗剪塊計算的。

Pro/MECHANICA是美國PTC公司研制的一套有限元計算軟件，該軟件可與Pro/ENGINEER完全無縫集成。該軟件可以直接利用Pro/ENGINEER的幾何模型進行有限元分析，由于Pro/ENGINEER具有強大的參數化功能，在Pro/MECHANICA中就可以利用這種參數化的工具優點，進行模型的靈敏度分析和優化設計。具體地說，就是當模型的一個或多個參數在一定的范圍內變化時，求解出滿足一定設計目標（如質量最小、應力最小）的最優化幾何形狀。

首先，不設橫向定位車的船塢進行軌道的結構設計，其引船軌道截面如圖2。將該軌道在Pro/ENGINEER中建模，并將模型在Pro/MECHANICA Wildfire5.0的MECHANICA Structure模塊中進行有限元分析，以求得最優的軌道截面型式。按照圖2施加后計算，軌道應力分布如圖3所示。

圖2 軌道截面（一）

圖3 軌道應力分布圖（一）

由應力分布圖3可見，軌道受力較為均勻，局部最大應力達到507 MPa，最大應力產生在垂直輪作用位置。本計算是按照實際橫向定位車施加作用力的，橫向定位車每側各設4個反滾輪，受空間限制垂直滾輪每側只設2個，而軌道上兩側翼板上所受到的力基本相同，這就使單個垂直滾輪輪壓大于反滾輪輪壓。水平滾輪設在定位車最下緣，經計算水平滾輪輪壓小于反滾輪輪壓，根據空間位置在軌道每側設兩個。

加定位車前，被牽引船舶的橫行位移是靠船塢兩側的絞盤承受的，引船軌道只承受牽引力的橫向分量。而加定位車后所有橫向力均由引船軌道承受，所以引船軌道應按照承受橫向定位力設計。將軌道截面材料均勻增大（圖4），同時為了進一步降低軌道受力，增加軌道可靠性，嘗試在軌道內部增加隔板。首先，設置隔板數量與螺栓數量相等，并與螺栓設在同一剖面位置，施加外力后，其應力分布如圖5所示。由圖5可見，增加隔板后應力值整體減小，軌道上翼板應力分布基本未發生變化，但軌道受水平輪作用的腹板處應力分布改變比較明顯。應力值最大值出現在反滾輪作用的上翼板腹板與腹板的連接處（如圖6）。原因是：在4個水平輪中，該處距離軌道內設置的隔板距離最近，所以該處剛度最大、變形最小、應力最大。

分析以上計算過程，可以得出以下結論：在引船軌道內設置隔板是增加軌道整體性降低最大應力值的有效方法，同時這個方法可以有效控制軌道的自重。

圖4 軌道截面（二）

圖5 軌道應力分布圖（二）

圖6 軌道應力分布圖（三）

3 牽引小車和定位車的設計

牽引小車和橫向定位車沿引船軌道運行，除承受縱向拉力外，還要承受橫向傾覆力，設計時主要考慮橫向力對結構的影響。牽引小車和橫向定位車結構基本相同，都是由脫鉤裝置、車架、行走機構、雙反托輪和水平輪組成。他們的不同點是其與鋼絲繩的連接方式不同，牽引小車與鋼絲繩由卸扣直接連接，而橫向定位車由一套夾繩機構與鋼絲繩連接。在受力上，橫向定位車主要承受橫向定位力，牽引小車承受橫向力較橫向定位車小，但承受縱向力較大。牽引小車和橫向定位車的行走機構、雙反托輪和水平輪布置（圖7）。

圖7 牽引小車（定位車）結構布置圖

牽引小車（橫向定位車）的車架受力見圖7b，對車架進行有限元分析，應力分布如圖8所示。結果顯示，車架整體強度滿足要求，但在受力集中的部位仍需加強。例如，可在走輪軸孔處適當加厚，增大水平輪的支撐面積。

圖8 定位車受力分布圖

4 結語

在實際使用過程中，引船軌道、牽引小車以及橫向定位車都運行良好，可見本設計方法是行之有效及經得起時間考驗的，引船軌道和牽引小車的結構設計是合理的。同時，為以后的同類型產品生產設計具有現實指導借鑒意義。