适用于中小型船舶上墩、下水的变坡摇架设计

居惠红

(1.中船第九设计研究院工程有限公司， 上海 200063； 2.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心， 上海 200063)



适用于中小型船舶上墩、下水的变坡摇架设计

居惠红1，2

(1.中船第九设计研究院工程有限公司， 上海 200063； 2.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心， 上海 200063)

摘要本文结合中船西江造船公司千吨级下水滑道改造工程，介绍了中小型船舶在平地建造，利用液压顶升摇架变坡并结合滑道下水的工艺方案。摇架方案经济、可靠，操作灵活方便，劳动强度小，具有较好的应用前景，广泛适用于公务船、游艇、渔轮等制造企业下水设施的新建、改造工程。

关键词船舶下水千吨级滑道设计创新

1项目背景

中船西江造船公司(以下简称“公司”)地处广西省柳州市西江路，1965年建厂时由我院设计，为满足山洞船台船舶下水而建设，下水滑道分一级、二级滑道，其中一级滑道为弧形轨道，半径R=1 124 m，水平投影长度230 m，二级滑道为坡度1∶10直线轨道，与该滑道配套的下水排车承重350 t，长度32 m，轨距3.0 m。

90年代后，在原一级下水滑道中部西侧，先后建设了两座水平室内船台，室内船台之间建设了横移区。从此造船建设的重点从山洞转向了室内车间，但同时下水工艺也因此而复杂起来，其下水工艺流程是：(1) 通过船排小车将船舶从室内车间拉曳至横移区；(2) 在横移区通过换墩使船舶转由横移小车承载，并将船舶横移到滑道区下水排车上落墩；(3) 下水船排小车进入并坐落在排车上，通过换墩使船由下水船排小车承载；(4) 由绞车曳引，通过下水排车和一级滑道(船架坑)将船送至二级滑道接口处(坡度1∶10的直线滑道)，最后通过下水船排小车和二级滑道继续将船送入水中[1]。

该方式下水操作繁复，劳动强度大，持续周期长，安全风险大，为了从根本上改进目前较落后的下水方式，提高下水操作安全性，急需对原弧形滑道相关设施进行改造设计。

2滑道设施概况

2.1滑道改造情况

2005 年，因柳州市红花水电站建成蓄水，水位大幅抬高，对下水滑道产生影响而进行了改造。改造主要是将一级滑道0+145～0+230 m 桩段(注：系指距离滑道陆域端“0”轴线水平投影长度)弧形轨改造为坡度1∶10 的直线轨道，并与原二级滑道相衔接。在2008 年，公司对下水滑道0+76～0+145 m桩段弧线轨又进行了改造，在保留原有轨距3.0 m ，半径R=1 124 m弧线轨下水功能前提下，在0+76～0+145 m 桩段增设了一组轨距4.2 m，半径R=381.45 m 的弧形轨，并新建了一台轨距4.2 m，长50 m 的1 000 t 下水排车。该下水排车和改建的轨距4.2 m，半径R=381.45 m 的弧形轨可满足重量为1 000 t 的船舶下水，其中：

(1) 新建50 m下水排车最大下水重量1 000 t，运行轨道轨距4.2 m，轨道圆弧半径R=381.45 m，弧形轨道所处桩段范围0+76～0+145 m。

50 m下水排车技术参数：外形尺寸50 m×5.8 m×2.028 m，轮距1.2 m，架面横移轨距0.8 m，船架最大轮压310 kN，共84 个走轮(单根轨道42 个走轮)。架面上设置轨距3.0 m 轨道，与弧形轨道相接。

(2) 配制下水船排小车14 台，载重量120 t，轨距3 m，轮距1 100 mm。

(3) 配制下水滚轮车1 台，载重量350 t，轨距3 m，轮距1 250 mm。

(4) 设置拉力为500 kN 的绞车一台，通过滑轮组成三道钢丝绳受力牵引，牵引力1 500 kN。

2.2存在问题

船舶采用弧形滑道方式下水是特定历史、厂址地形及水文条件下的产物，当时下水设计船舶总长仅40 m，型宽4 m，下水重量不大于300 t。之后，根据发展需要，在原山洞船台(110 m×20 m)下方，滑道西侧又陆续建设了室内船台车间(60 m×24 m×2 跨)两座，两座船台相隔横移区对称布置，每跨均设置纵移轨道及船台建造工位。

横移区长72 m，宽度70 m，设置轨距0.8 m 横移小车轨道14 组。在原有1#弧形轨道0+76～0+145 m 轴线位置新增了轨距4.2 m的2#弧形轨道船架坑。由于横移区与2#弧形轨道位置的相对限制，新增配套的50 m 排车在船架坑顶端并未与横移区保持水平(架面呈1∶20 坡度)，2008年改造时虽然增加了公司造船能力，但随着设计船型的变化(自重最大850 t，船长约60 m)，船舶横移及下水操作劳动强度明显加大，工时增加，安全性缺乏保障。工艺方案存在不足，效率较低，已显落后。改造前厂区下水设施状况如图1～图3所示，包括横移区、一级滑道(弧形段)、船架坑及二级滑道等。

图1　一级(弧形段、含船架坑)、二级滑道概貌

图2　下水排车及船架坑现状

图3　船舶下水现场

3变坡摇架下水滑道设计

3.1设计纲领船型

由于受柳州地区航道、水路通航建筑物限制，公司目前及今后相当长时间代表性产品主要以高附加值中小型特种船舶产品为主，如公务保障船，远洋渔船，甚至铝合金游艇等，其具体参数如表1所示。

表1　典型代表产品参数

3.2变坡摇架方案设计

为了提高下水安全性，适应目前主要订单产品的建造及下水要求，考虑采用摇架方案完成船舶的横移及变坡下水。在二级下水滑道、水平室内船台及横移区不改造的前提下，设想利用摇架替代一级下水滑道，下水船排小车坐落在摇架上，船横移到下水船排小车上后，不必再换墩，通过摆动摇架，使摇架架面轨道与原有二级滑道轨道相接，然后通过摇架上的下水船排小车和二级滑道将船经钢丝绳曳引缓缓送入水中。

针对本工程项目，摇架主尺度为50.0 m(长度)×5.8 m(宽度)×2.5 m(高度)，承载重量1 000 t(含下水船排小车等辅助设施重量)。摇架不同于原50 m排车，需要经走轮在船架坑内利用弧形轨道行走一段距离后变坡至1：10，再与二级轨道对接，省却了走轮系统及其轨道，显著缩短了船架坑长度，提高了场地利用率，并可由水平状态利用液压千斤顶直接将船舶调整为需要的坡度，完成锁定后，与直线段二级下水滑道对接。本项目改造方案摇架架面标高为85.65 m(1956年黄海高程，下同)，与横移区地坪标高相同。通过设置在摇架下端的两个液压顶升装置，可实现与二级下水滑道的无缝对接。另外，为满足船舶的横移及纵移下水，摇架架面设有横移小车及下水船排小车轨道。

摇架架面纵移轨道荷载： 350 t滚轮车轮压450 kN/轮，轮距0.85～1.25～0.85 m，下水船排小车120 t/台，中心距约3.5 m，连续布置，轮压330 kN/轮，轮距1.1 m，共13台；下水船排小车轮径540 mm，每根滑道上共30个轮子，钢轨型号为P38；考虑船舶尾浮时位置不在摇架上，摇架设计不考虑滚轮车轮压。

摇架架面横移轨道荷载：50 t横移船台小车轨距0.8 m，轮距1.0 m，轮压150 kN，四个走轮。两台小车横向中心距4.0 m。摇架变坡工艺方案布置如图4所示。

图4　摇架变坡工艺方案布置

3.3滑道主要参数

(1) 设计下水水位。

2005年柳州红花水电站建成蓄水，使得公司临西江水位提高了十多米，并常年保持在77.5 m。

(2) 滑道标高。

室内船台及横移区地坪标高为85.65 m，滑道末端标高为设计下水水位与滑道末端水深之差，直线船排滑道末端水深应按公式计算：H= Tf1+a+h1+ht1+(0.8～0.9)Lbp.i。

式中：H为滑道末端水深的数值， m； Tf1为首节船排处船舶吃水，m； a为裕度，取0.3 m；h1为首节船排上的曲线边墩高度， m； ht1为首节船排及垫木高度，m；Lbp为船舶垂线间长度，m；i 为滑道坡度。

经计算，滑道末端水深为9.5 m，滑道设计下水水位77.5 m，则滑道末端标高为68 m。摇架变坡至1∶10坡度后，首端高出横移区地坪2.24 m，尾端低于地坪2.74 m，即二级直线滑道顶端标高为82.91 m。

3.4拉曳系统

船舶经滑道上坡时，总的牵引力根据机械化滑道设计规范(CB/T8523-2011)相关公式计算。由于移船距离较长，要求牵引速度恒定，应采用带储绳筒的摩擦式绞车[2]。船舶上墩时总曳船力包括：

(1) 沿滑道上排时，设计船舶下水重量及移船设备自重沿斜面的分力T1；

(2) 走轮的摩擦阻力T2；

(3) 启动时的惯性力T3；

(4) 风压作用在船舶和移船设备上的阻力T4。

经计算总曳船力为1 385.2 kN，主拉点设置在下水滚轮车上，绞车钢丝绳出绳拉力500 kN，在滑轮上绕三道组成拉点，拉力1 500 kN。下水船排小车之间采用拉杆连接紧固，确保安全。

3.5水工结构

(1) 水工结构改造工程内容。

① 二级下水滑道向上延伸，水平投影长度23 m，标高为80.605～82.905 m；

② 改建摇架坑及摇架基础；

③ 在摇架顶端增设1 500 kN地牛。

(2) 安全等级及使用年限。

工程等级为Ⅱ级，结构改造后使用年限为50年。

(3) 结构改造方案。

① 滑道接长。

滑道水平投影长度23 m，标高为80.605～82.905 m，采用现浇倒T形梁结构，梁下设素砼垫层和碎石垫层，分段长度为5 m。

② 改建摇架坑和摇架基础。

改建摇架坑采用现浇钢筋混凝土挡土墙结构，挡土墙外侧为直立式结构。坑内底板采用现浇钢筋混凝土结构。

摇架基础采用钻孔灌注桩基础墩台结构。

③ 增设1 500 kN地牛。

增设1 500 kN地牛，采用天然地基基础上的钢筋混凝土墩台结构。

3.6摇架设备工作原理及组成

3.6.1概述

新建1 000 t摇架为公司滑道改造中的设备部分，用于替代原一级下水滑道，下水船排小车坐落在摇架上，船舶通过横移小车横移到下水船排小车上后，不必再换墩，通过摆动摇架，使摇架架面上轨道与二级滑道轨道相对接，然后通过摇架上的船排小车和二级滑道通过拉曳绞车钢丝绳缓缓将船送入水中。

3.6.2主要技术参数

摇架主尺寸：50 m×5.8 m×2.5 m(长×宽×高)；

承载重量：1 000 t；

下水船排小车轨距：3 m；

横移船台小车轨距：0.8 m；

摇架上铺设轨道型号：P38；

两侧顶升柱塞缸压力(单个)：400 t；

柱塞缸行程：1.36 m；

柱塞缸工作压力：25 MPa；

柱塞缸柱塞直径：@450 mm；

柱塞缸外径：@800 mm；

下水滑道坡度：1∶10。

3.6.3摇架设备总体布置

摇架总体布置及油缸柱塞落位、顶升状态如图5所示。

图5　摇架总布置及油缸柱塞落位、顶升状态

3.6.4设备工作原理

本工程新建的1 000 t摇架其上下摆动主要通过设置在摇架下端水域侧的两台液压柱塞缸的顶升及回落使摇架能绕着支铰旋转一定的角度。

当柱塞顶升到最高位置时，此时摇架摆动到最高位置，摇架面与横移区面平齐，随后横移小车承船可通过横移区上下摇架。当柱塞缸回落到低位时，此时摇架摆动到最低位置，摇架面坡度与下水滑道坡度一致，此时下水船排小车承载船舶经上端绞车钢丝绳牵引可纵向上、下摇架，完成船舶的下水或者上墩操作。

3.6.5设备组成

1 000 t摇架主要由架体结构、铰支座、顶升机构及电控系统等组成。架体结构主要由两根变截面箱型梁纵向布置组成，两箱梁中心距3 m，下水船排小车轨道布置在两箱梁上，中心距也为3 m。两变截面箱形梁之间设有多条横向联系梁，该联系梁也采用箱型结构，横移小车轨道布置在横向联系梁上，轨距0.8 m。

架体中部两侧设有2个铰支座，用于支撑摇架及摇架的摆动，铰支座采用开口形式，方便架体安装。顶升机构主要由两个液压顶升柱塞缸组成，柱塞行程约1 360 mm，即能够将摇架抬升1 360 mm。单个顶升柱塞缸顶升力400 t。

摇架纵剖面即船舶横移上摇架及船舶下水时摇架状态如图6所示。

图6　船舶横移上摇架及船舶下水时摇架状态

4结语

船舶在水平船台建造完工后，利用液压顶升摇架变坡并结合倾斜滑道下水的方案，丰富了机械化滑道下水的方案选择，填补了国内空白，设计有一定创新。该项目成功的关键是摇架平台足够轻巧，造价合理，其液压油缸设备运行安全可靠，易维护。采用摇架设备下水船舶，场地布局紧凑，劳动强度小，安全可靠，具有较好的应用前景，可广泛适用于沿海或内河高水位差地区中小型制造企业(如公务船、游艇、渔轮等)的规划、新建或改扩建工程。

参考文献

[1]中船第九设计研究院工程有限公司. 中船西江造船有限公司基础设施和节能减排项目初步设计[R]. 上海：中船第九设计研究院工程有限公司，2011.

[2]中华人民共和国工业和信息化部.CB/T 8523-2011机械化滑道设计规范[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

中图分类号U673

文献标志码A

作者简介：居惠红(1979-)，男，高级工程师，主要从事船坞、船台、滑道等工程设计。