淺談一種船用車輛跳板的設計方法

◎鄭錦 蘇美達船舶有限公司上海分公司

滾裝船、車客渡船、甲板運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。跳板按驅動方式主要分為油缸驅動和鋼絲繩驅動兩大類，按與船體的接觸方式可分為風雨密式和敞開式。油缸驅動、風雨密式跳板性能平穩、外形美觀、造價高、工藝復雜等特點主要用于高級滾裝船、車客渡等。普通鋼絲繩驅動、非風雨密型跳板由于造價低廉、維保容易、構造簡單、操作方便等優點在普通甲板運輸船及工程駁應用廣泛。本文結合250尺海工駁船鋼絲繩驅動車輛跳板的設計簡要介紹這種跳板的設計方法。

1.跳板系統的總體布置及工作原理

應船東設計任務書要求，跳板的主要參數為：跳板長9.54m；跳板寬5.00m；跳板載荷7t/m2；跳板材質，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

電動絞車拉動鋼絲繩，鋼絲繩走向經過1號滑輪由水平方向轉變為垂直方向。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。鋼絲繩通過4號滑輪，將鋼絲繩由右舷跳板縱向方向傳導到跳板橫向方向。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，用閉式索節和眼環固定在跳板支架上。

1.2 跳板收起階段

當跳板依靠電動絞車提升到與水平夾角86°時，跳板將不再繼續提升。考慮到跳板受到重力及風浪作用，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，應確保在任何海況下，跳板與跳板支架固為一體。當跳板鎖緊后，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

當船舶抵達滾裝碼頭，需要將船首跳板放下，供車輛及人員上下船只。當解除跳板與跳板支架的鎖緊狀態后，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。跳板到達一定角度后，本船設為與水平夾角約負20度位置，限位錨鏈將跳板拉緊，跳板將無法繼續下降。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構固定，鉸鏈約束跳板不能有位移但可沿鉸鏈中心線自由轉動。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動鋼絲繩，鋼絲繩驅動跳板。若絞車拉力不夠將無法驅動跳板，拉力過大造成設備性能浪費增加建造成本。同理鋼絲繩強度不夠將具有安全隱患，強度余量過大造成浪費。故電動絞車拉力的選取及鋼絲繩強度的選型是跳板設計的重要一步，當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。可在此力學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°。根據結構圖統計后得出，跳板自重約為W=13t。

根據力的平衡公式，有：

根據《起重機設計規范》計算滑輪組效率。

本跳板由動滑輪及導向滑輪組成，倍率m=2，軸承為滑動形式。滑輪組效率為：η組=0.93，導向滑輪效率：η導=0.92。[1]

動絞車之鋼絲繩拉力計算：

根據鋼絲繩受力計算

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

抗拉強度1770MPa，破斷拉力325kN[2]

考慮鋼絲繩系數0.82，鋼絲繩破斷拉力0.82×325kN=266.5kN

考慮安全系數取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。

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

3.跳板板材及骨材強度校核

3.1 概述

跳板的強度應不弱于規范對車輛甲板強度的要求，故按中國船級社《鋼質海船入級與建造規范》（2018）第2篇第2章第21節的要求進行校核。本船跳板強度滿足合計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

跳板結構簡圖如圖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度。

圖3 跳板結構俯視圖

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1≤u/v＜2時，

實取跳板板厚為12mm，滿足規范要求。

3.3 跳板橫梁強度計算[4]

式中，

實取橫梁為 T12×150+9×350（W=951.55cm3）

3.4 縱骨強度校核

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 模型力學計算

所需橫梁剖面模數：

實取縱骨為T12×150+9×350（W=951.55cm3）滿足要求。

4.結束語

本文探討的這種鋼絲繩驅動船用車輛跳板設計方法，具有簡便易懂、設計效率高、可操作性強、現場建造方便、且無過多復雜計算，也無需計算機三維建模模擬等特點。但在實際設計中，跳板的布置受到艏部線型、船艏甲板機械布置干涉、碼頭實際狀況、上下跳板的車輛軸重等各種限制，在設計時不可能一蹴而就滿足要求。需要做多種方案、統籌考慮、不斷改進優化，盡可能在滿足使用要求的前提下，保證設計出的跳板滿足性能前提下成本更低。