某船塢加裝引船防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

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(1.中國(guó)人民解放軍92267部隊(duì),山東 青島266102;2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所,武漢 430064)

本文所述船塢是船舶維修專用船塢，修建年代已久，配套設(shè)備陳舊，原有拖曳系統(tǒng)設(shè)備已廢棄多年，目前船舶進(jìn)出塢靠人工拖帶，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且存在因指揮、拖纜人員配合不當(dāng)?shù)仍蚴勾霸谶M(jìn)出塢過程中與塢壁發(fā)生碰撞，造成船體和船上設(shè)備損壞等潛在危險(xiǎn)。為了保證船舶進(jìn)出塢的安全性、快速性及可靠性，根據(jù)船塢使用和改造要求，該系統(tǒng)在船塢原有設(shè)施的基礎(chǔ)上，通過增設(shè)塢尾牽引絞盤,加裝牽引軌道和牽引小車，實(shí)現(xiàn)船舶進(jìn)出船塢由人力牽引改為機(jī)械牽引，減少操作人員的工作強(qiáng)度，保障船舶安全可靠快速進(jìn)出船塢。

1 系統(tǒng)主要功能

1)牽引各類船舶進(jìn)出船塢。通過本系統(tǒng)在塢尾設(shè)置的2臺(tái)牽引絞盤牽引船舶進(jìn)塢，待船舶在塢內(nèi)完成維修等任務(wù)后，由塢口原有牽引絞盤牽引船舶出塢。

2)防碰。通過控制定位小車與船舶之間定位纜繩的長(zhǎng)度，限制船舶在塢內(nèi)搖擺運(yùn)動(dòng)的幅度，防止船體與船塢發(fā)生碰撞。

2 設(shè)計(jì)方案

引船防護(hù)系統(tǒng)加裝設(shè)計(jì)不同于新建船塢[1-2]拖曳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，改造受船塢原始條件和諸多不確定因素限制[3]，引船防護(hù)系統(tǒng)中牽引計(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算和軌道安裝等幾個(gè)問題處理是否科學(xué)合理不僅影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，而且還關(guān)系到系統(tǒng)工作的安全性和可靠性[4]。

2.1 總體方案

整個(gè)系統(tǒng)由牽引絞盤、軌道、軌道小車、塢門處的輔助牽引絞盤、手動(dòng)纜繩收放小車和控制系統(tǒng)等組成，軌道小車分牽引小車和定位小車，拖船進(jìn)出船塢的一對(duì)小車稱作牽引小車，其余用于限制船體大位移橫向搖擺運(yùn)動(dòng)的4臺(tái)小車稱作定位小車，即系統(tǒng)拖船進(jìn)塢時(shí)，最靠近塢尾牽引絞盤的兩臺(tái)軌道小車稱作牽引小車，其余4臺(tái)軌道小車稱作定位小車，系統(tǒng)拖船出塢時(shí)，最靠近塢口原有牽引絞盤的一對(duì)軌道小車稱作牽引小車，其余4臺(tái)軌道小車稱作定位小車。見圖1。

圖1 引船進(jìn)出塢系統(tǒng)組成示意

船舶準(zhǔn)備進(jìn)塢時(shí)，6臺(tái)軌道小車并排停留在船塢塢口第一段軌道上，準(zhǔn)備進(jìn)塢的船舶借助拖船在塢口進(jìn)行對(duì)中，然后將牽引纜繩綁于船艏帶纜樁上，系統(tǒng)開始工作，塢尾處的兩臺(tái)牽引絞盤同步工作帶動(dòng)2臺(tái)牽引小車在軌道上同步運(yùn)動(dòng)，從而牽引船舶進(jìn)塢，隨后2對(duì)定位小車參與工作，通過定位纜與船體連接，保證船體在船塢中的位置，限制船體大幅度擺動(dòng)，避免船舶與塢壁發(fā)生碰撞，當(dāng)船舶即將運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置時(shí)，塢口處的原有牽引絞盤及系纜樁參與剎車工作，使船舶進(jìn)塢的速度逐漸降低，直至船體停泊在預(yù)定位置。 船舶出塢過程與進(jìn)塢過程相反，船舶通過塢口原有絞盤拖帶出塢，定位小車依然保持與船體相連，控制船體在塢內(nèi)位置，直至船舶被拖帶出船塢。

2.2 牽引計(jì)算

2.2.1 計(jì)算模型

引船進(jìn)出塢系統(tǒng)的牽引過程是一個(gè)復(fù)雜的受力問題，計(jì)算中假設(shè)牽引系統(tǒng)勻速工作，并且假定各纜繩剛性連接，引船進(jìn)出塢系統(tǒng)的牽引計(jì)算模型見圖2。

圖2 牽引計(jì)算模型

根據(jù)船舶進(jìn)塢防護(hù)工作需要，θ=20°～45°，β=20°～45°。

根據(jù)小車與船體的相對(duì)位置關(guān)系，以圖3和圖4作為定位纜和牽引纜內(nèi)力計(jì)算的空間位置關(guān)系示意圖。圖3中A為定位小車；G為船體上的系纜點(diǎn)。圖4中B為牽引小車，H為船體上的系纜點(diǎn)。

圖3 定位纜空間受力示意

圖4 牽引纜空間受力示意

2.2.2 定位纜受力分析

設(shè)每個(gè)定位小車所受摩擦力為F1f，則定位小車勻速前進(jìn)時(shí)T2在X方向上的分力與之平衡，即

F1x=T2x=T2cosαsinβ

(1)

根據(jù)摩擦力計(jì)算公式得

F1x=μ(T2y+T2z+G車)

(2)

因此，

(3)

當(dāng)潮位一定時(shí)，BF和FG均為常數(shù)，即γ為常數(shù)，在計(jì)算區(qū)間β=0[0,π/2]內(nèi)，α和T2均為β的減函數(shù)，因此當(dāng)β=30°的時(shí)候T2取最大值，此時(shí)，α=artan (tanγcosβ)。

2.2.3 牽引纜受力分析

船舶勻速進(jìn)塢過程中，船舶受力平衡，根據(jù)船舶在X方向的受力平衡,則有

mT1x=R+nT2x

(4)

式中：m，n——牽引小車和定位小車數(shù)量。

因此可得牽引纜內(nèi)力為

(5)

考慮左右舷2臺(tái)牽引小車牽引的不確定性，牽引纜內(nèi)力取一不平衡系數(shù)k，

(6)

當(dāng)潮位一定時(shí)，BF和FG均為常數(shù)，即ω為常數(shù)，在計(jì)算區(qū)間θ=[0,π/2]內(nèi)，φ和T1為θ的增函數(shù)，因此當(dāng)θ=45°時(shí)T1取最大值。

2.2.4 主牽引纜受力分析

系統(tǒng)工作時(shí)，牽引小車勻速前進(jìn)，牽引小車受力平衡，根據(jù)牽引小車在X方向的受力平衡則主牽引纜內(nèi)力為

T=T1x+F2x=T1cosθcosφ+μ(T1sinθcosφ+T1sinφ+G車)

(7)

2.3 軌道設(shè)計(jì)

軌道采用分段設(shè)計(jì)，按長(zhǎng)度共分為三種形式，分別為2.3 m軌道、5.0 m軌道和5.6 m軌道，其中5.6 m的軌道用在下塢口上方，其余全采用5.0 m軌道進(jìn)行敷設(shè)，在兩個(gè)下塢口之間不足5.0 m的地方用2.3 m軌道進(jìn)行敷設(shè)，保證船塢每側(cè)軌道連續(xù)完整。

為了滿足強(qiáng)度和穩(wěn)性要求，三種形式的軌道均采用箱形結(jié)構(gòu)，分別使用8、10、12和16 mm厚的船用鋼板制造。其中軌道底部水平板為16 mm，頂部水平板為12 mm，兩側(cè)立板為10 mm，內(nèi)部加強(qiáng)板和外側(cè)肘板等為8 mm。側(cè)立板和底部水平板之間通過肘板加強(qiáng)，底部水平板開有圓孔，通過螺栓與軌道基礎(chǔ)連接，軌道端面設(shè)有連接止口，便于敷設(shè)時(shí)對(duì)接，保持整體平整。典型軌道截面見圖5。

圖5 典型軌道截面示意

為保證軌道的連續(xù)性，下塢口段也必須敷設(shè)軌道，但在塢修過程中又要方便人員正常通行，因此下塢口段軌道需設(shè)計(jì)成可拆卸形式，方便安裝和拆卸。設(shè)計(jì)中延伸軌道底板，使該段軌道整體扣在下塢口上，僅在軌道兩端和在岸邊一側(cè)采用壓板固定，在牽引系統(tǒng)工作前利用船塢塔吊安裝在下塢口上，塢修開始后再利用塔吊將軌道吊卸放在岸邊，下塢口段軌道截面見圖6。

圖6 下塢口段軌道截面示意

2.4 小車設(shè)計(jì)

軌道小車共有6臺(tái)，分牽引小車和定位小車，兩者的結(jié)構(gòu)完全相同，僅在使用時(shí)的功能有所不同。

每臺(tái)軌道小車均由車架、帶纜樁、前后牽引繩座、上走輪、下走輪、側(cè)向壓緊輪和可調(diào)節(jié)下壓緊輪組成。軌道小車為整體的箱形結(jié)構(gòu)，通過可調(diào)節(jié)壓緊輪，使所有滾輪與軌道接觸，軌道小車能在軌道上自由滑動(dòng)，滿足船舶在進(jìn)塢過程中的牽引和定位要求，每臺(tái)軌道小車重900 kg，外形尺寸為1 726 mm×720 mm×980 mm。

2.5 操控系統(tǒng)

操控系統(tǒng)是船塢牽引設(shè)備改造的一個(gè)重要組成部分。牽引絞盤的工作采用了三種控制方式，即本地控制、遠(yuǎn)程控制和無線控制。該操控系統(tǒng)主要由1臺(tái)電氣控制柜、2臺(tái)便攜操作儀和2臺(tái)無線控制器組成，其中電氣控制柜為該控制系統(tǒng)核心控制單元，同時(shí)提供整個(gè)系統(tǒng)的配電，柜內(nèi)的PLC主控單元負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)主要設(shè)備的動(dòng)作、連鎖以及設(shè)備狀態(tài)指示；2臺(tái)便攜操作儀負(fù)責(zé)2臺(tái)新增絞盤的遠(yuǎn)程操作；2臺(tái)無線控制器負(fù)責(zé)2臺(tái)新增絞盤的無線操作。三種工作方式通過電氣控制柜控制面板的操作方式開關(guān)進(jìn)行切換。

2.5.1 本地控制

本地控制是通過電氣控制柜的控制面板進(jìn)行操作的一種控制方式。該控制方式，操作人員距離絞盤較近，方便觀察絞盤工作情況，可隨時(shí)與絞盤收放纜人員進(jìn)行互動(dòng)，但不便于觀察牽引小車的運(yùn)行狀況。該控制方式宜在牽引船舶出塢的過程中或無線控制故障時(shí)采用。

2.5.2 遠(yuǎn)程控制

遠(yuǎn)程控制是通過便攜操作儀進(jìn)行操作的一種控制方式，工作時(shí)通過帶航插的電纜將便攜操作儀與電氣控制柜進(jìn)行連接。該控制方式操作比較靈活，宜在絞盤調(diào)試和船舶在塢內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)采用。

2.5.3 無線控制

無線控制是通過無線遙控器進(jìn)行操作的一種控制方式。采用該控制方式時(shí)，操作人員可在全船塢范圍內(nèi)進(jìn)行操作，尤其在系統(tǒng)工作初期，船舶剛剛進(jìn)入船塢階段，操作人員可在塢口進(jìn)行操控，方便與船上及岸上指揮人員進(jìn)行互動(dòng)。

2.6 軌道安裝措施

2.6.1 鉆孔和風(fēng)化層處理

為了減小螺栓錨固對(duì)牛角的損傷，螺栓的錨固孔采用靜壓法施工，具體施工采用水鉆鉆圓孔，孔徑不小于50 mm，并對(duì)光順的圓孔進(jìn)行加糙處理，并盡量避開鋼筋，另外，船塢修建多年，在牛角上下表面部分水泥已風(fēng)化剝落，在鉆孔結(jié)束后去掉牛角被風(fēng)化的水泥保護(hù)層，將松散和脫落的混凝土渣清理干凈，灑水保養(yǎng)。鉆孔處理后的牛角基礎(chǔ)見圖7。

圖7 牛角鉆孔截面示意

2.6.2 螺栓錨固與軌道安裝

螺栓錨固采用專用工裝限位和保證精度。螺栓按要求固定好以后，采用比牛角混凝土高一級(jí)以上的微膨脹細(xì)沙混凝土澆灌螺栓孔，加固預(yù)埋螺栓，同時(shí)通過專用工裝施加預(yù)緊應(yīng)力，以免灌漿水泥塊在軌道安裝調(diào)試過程中被拉松動(dòng)；另外，根據(jù)軌道安裝要求，在灌漿過程中微調(diào)預(yù)埋螺栓的定位精度；最后待灌漿水泥固化后按要求安裝調(diào)試軌道，典型軌道安裝截面見圖8。

圖8 軌道安裝典型截面示意

2.7 強(qiáng)度計(jì)算

強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，將軌道強(qiáng)度計(jì)算和牛角強(qiáng)度計(jì)算同時(shí)進(jìn)行。通過牽引計(jì)算可知，牽引纜的內(nèi)力遠(yuǎn)大于定位纜的內(nèi)力，相應(yīng)的牽引小車作用在軌道和牛角基礎(chǔ)上的力也遠(yuǎn)大于定位小車作用在軌道和牛角基礎(chǔ)上的力。在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，取牽引小車作用在軌道上的力作為計(jì)算外力。另外，對(duì)于軌道而言，小車前進(jìn)方向的載荷對(duì)其影響相對(duì)較小可以不計(jì)，計(jì)算時(shí)首先建立一平面模型，將牽引小車所受橫向和垂向載荷轉(zhuǎn)換到軌道上，并保證所有車輪與軌道為壓力作用，否則改動(dòng)約束重新計(jì)算。

2.7.1 計(jì)算模型

根據(jù)軌道分段長(zhǎng)度建立有限元模型，牛角基礎(chǔ)長(zhǎng)度取5 m，寬度取2.49 m，整個(gè)有限元分析模型采用分離式的三維模型。即混凝土單元用具有混凝土性質(zhì)的SOLID65單元，該單元可以較真實(shí)地模擬混凝土材料在受力過程中的真實(shí)情況，包括塑性和徐變引起的材料非線性、大位移引起的幾何非線性、混凝土的壓碎和開裂引起的復(fù)雜的非線性等多種混凝土的材料特性；固定螺栓和鋼筋單元采用LINK8空間三維桿單元。混凝土破壞準(zhǔn)則采用William-Wamke5參數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則，其中混凝土的開裂裂縫剪力傳遞系數(shù)和閉合裂縫剪力傳遞系數(shù)分別取為0.3和0.5，開裂后剛度折減系數(shù)取為0.6；屈服準(zhǔn)則采用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(MKIN)；裂縫模型采用片狀裂縫模式；鋼筋采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(BKIN)。計(jì)算時(shí)軌道底面與基礎(chǔ)之間的連接采用接觸算法，摩擦系數(shù)取μ=0.45。有限元計(jì)算網(wǎng)格模型及載荷加載部位見圖9。

圖9 有限元計(jì)算網(wǎng)格模型及載荷加載部位

2.7.2 計(jì)算結(jié)果

為了選取合適的軌道安裝距邊距離，選取軌道距邊距離為600、700、800 mm三種情況分別進(jìn)行計(jì)算。

1)軌道中心線距邊距離發(fā)生改變時(shí)，將會(huì)對(duì)基礎(chǔ)位移和基礎(chǔ)應(yīng)力產(chǎn)生影響。軌道中心線距離基礎(chǔ)邊界的距離由600 mm變?yōu)?00、800 mm時(shí)，其基礎(chǔ)位移相應(yīng)地從大變小，由0.920 mm變?yōu)?.795 mm、0.662 mm，基礎(chǔ)拉應(yīng)力也由大變小，由0.868 MPa，變?yōu)?.858、0.692 MPa。

2)連接螺栓所受的預(yù)緊力發(fā)生改變時(shí)，也將會(huì)對(duì)基礎(chǔ)和軌道產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在對(duì)基礎(chǔ)拉應(yīng)力上。預(yù)緊力較大時(shí)，基礎(chǔ)拉應(yīng)力和軌道應(yīng)力最大值均發(fā)生在螺栓連接處；而預(yù)緊力較小時(shí)，基礎(chǔ)拉應(yīng)力最大值發(fā)生在螺栓連接處，軌道應(yīng)力最大值發(fā)生在車輪與軌道的接觸處。根據(jù)計(jì)算，螺栓桿的初始變形宜取1.6 mm，相當(dāng)于在螺栓上加載預(yù)緊力為114 kN。

3)軌道中心距邊距離為700 mm時(shí)，軌道變形和位移以及混凝土基礎(chǔ)的變形和位移均滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，計(jì)算結(jié)果見圖10。

圖10 軌道中心距邊距離為700 mm時(shí)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

該偏移情況下，軌道安裝和工程整體改造工作難度較小，軌道中心距邊距離根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果可定為700 mm。

3 結(jié)論

本船塢引船防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案施工難度小，改造費(fèi)用低。系統(tǒng)改造完成后投入使用已有1年有余，系統(tǒng)工作穩(wěn)定正常，設(shè)備運(yùn)行安全可靠、操作簡(jiǎn)便，極大地提高了船塢的作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).CB/T8524-2011干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[2] 顧倩燕.船塢工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐[J].水運(yùn)工程，2011，449(1)：75-86.

[3] 莫 里，譚汝豪，曹亞堂.“飛龍山”浮船塢的加長(zhǎng)改造[J].廣東造船，2008(1):54-57.

[4] 中國(guó)船舶工業(yè)總公司.CB/T3677-1995船舶進(jìn)出干船塢技術(shù)要求[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.