1500DWT散货船气囊下水工艺计算

2014-01-23胡飞荣

黑龙江交通科技 2014年5期

胡飞荣

(江西省港航管理局赣州分局)

1 引言

船舶气囊下水是我国独创的新型下水技术，该技术以其节省船厂投资成本、对坡道状况要求低、不损害船体、机动灵活等优点，为中小型船舶企业发展起到了极大的推动作用。但是，对于中小船厂，由于对船舶气囊下水受力分析缺乏较为系统的理论依据，通常只能凭经验估算，这给该工艺造成了一定的安全隐患。本文通过建立船舶气囊下水的受力模型，重点根据滚动摩擦机理建立气囊滚动摩擦力的近似计算公式，进而确定船舶气囊下水下滑力。并以此论证了一艘1500DWT散货船气囊下水工艺的安全性。

2 船舶气囊下水的受力情况分析

2.1 下水过程受力分析

船舶在下水过程中的受力主要有:船体重力、气囊的支持力、气囊的滚动摩擦阻力、入水部分船体的浮力、绞车等的牵引力以及水对船体各种阻力等等。本文为船舶下水工艺设计，因此只考虑决定船体下滑运动的几种受力，主要有:①船体的重力G，其沿船台方向的分力Gsinα构成下滑力;②绞车刹车时，船体的惯性力mv/T;③气囊的滚动摩擦阻力f1;④绞车钢丝绳的牵引力n·f2(n为绞车钢丝绳的根数)。由此建立如图1所示的船舶气囊下水的受力模型。可在船体基线方向的建立平衡方程(1)

式中的G、船台坡度θ以及绞车放缆速度v可分别从船舶图纸资料和船厂资料中查阅计算得到，n为绞车钢丝绳的根数。以下重点分析气囊的滚动摩擦阻力f1的计算。

图1 船舶气囊下水过程受力图

2.2 气囊下水摩擦阻力F1的计算

船舶使用气囊下水时，气囊为弹性柱体，地面和船底平面可近似作刚体。气囊在运动过程中受到压缩应力和剪切应力的作用而产生弹性形变。弹性滞后损失，就是组成滚动摩擦阻力的主要因素。由于弹性滞后现象存在，滚动时消耗功与复原功之差，可用圆柱体所做的功φ与弹性滞后系数α的乘积来表示为αφ，这部分弹性形变能量就造成了滚动摩擦阻力

由刚体滚动理论可知当刚性圆柱体沿弹性基础滚动时，由接触区前部的压力引起的力矩:

式中:N为圆柱体全长上的载荷;b为接触面积的半宽。

将(4)式代入(2)式得:

由滚动摩擦系数的定义便可得到气囊的滚动摩擦系数:

式中:α为弹性滞后损失系数;b为气囊的接触面积的半宽;R为气囊的半径。

据有关资料，α≈3.3a，a为单轴拉伸压缩试验中对材料的滞后损失系数。橡皮的单轴拉伸试验表明a=8％，于是

气囊的运动看成是弹性柱体在刚性平面上滚动，其滚动摩擦机理与刚性柱体在弹性平面上滚动相同。因此，参照刚性柱体在弹性平面上滚动摩擦力的分析，气囊的受压状态简化为滚子在水平无滑动的滚动，且滚子上面的第二个平面用载荷N压住的力学模型如图(2)所示。

图2 受囊受力图

在工程实际中，可以假设上表面的摩擦系数λ'与等于上表面的摩擦系数λ，忽略气囊的自重。由前述分析可得，最小滚动摩擦阻力为:

式中:λ为滚动摩擦系数;N为气囊承受的载荷;d为囊的直径。

3 实船下水计算

现用上述公式来核算一艘1500DWT散装货船气囊下水工艺中设备的安全性。船舶的主要尺度:总长72.10m，型宽13.46m，型深4.86m，空船重量 Q=530t，平底长度L=58m，方形系数Cb=0.824。船厂坡道较平整坚实，长度约120m，坡度θ1=8°。钢丝绳绞车牵引力为20t，绞车放缆速度为9m/min。船厂现有气囊规格为直径D=1m、工作高度H=0.24m的中压气囊。本船下水工艺首先按照《船舶用气囊上排、下水工艺要求》(CB/T3837-2011)计算出所需气囊个数N及校核气囊布置