船舶气囊下水工艺实践与发展前景
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目录
目录..............................................................I摘要.............................................................IIAbstract.........................................................IIIII1引言.............................................................42船舶气囊下水工艺的力学计算.......................................52.1摩擦力的计算.................................................52.2牵引力的计算.................................................62.3滚动气囊数量的计算...........................................72.4滚动气囊的布置间距...........................................72.5船舶下水的制动力.............................................83船舶气囊下水的主要操作流程.......................................84船舶气囊的选用...................................................95气囊的安全性问题及对策..........................................105.1调整气囊初始压力P0提高气囊工作安全性........................105.2科学排布气囊，改善气囊承载条件..............................115.3船体结构的安全性............................................115.4气囊下水的安全标准..........................................12结论与展望.........................................................13致谢.............................................错误！未定义书签。参考文献........................................错误！未定义书签。
I
摘要
气囊下水是一项我国创新的船舶下水新工艺，它的广泛应用已引发改变或正在改进造船的传统模式。由此一批新建和改造后的采用气囊下水船台的中小型船厂迅速崛起。本文概括性的阐述了气囊下水技术的历史演变过程、相关概念和理论发展过程、安全的问题和发展趋势。较为详细列出了下水过程中相关的力学计算公式和安全措施。运用理论计算以及试验测试相结合的方法，证明气囊下水技术有利于中小型造船企业的发展，并存在向大型船舶和大型船厂发展的趋势。
关键词：气囊下水；中小型船厂；船舶下水；安全性
II
Abstract
Theairbaglaunchingisanewtechnologyofshiplaunchingwhichourcountryinnovates,itswidespreadapplicationhascausedorischangingthetraditionalpatternoftheshipbuilding.Onebatchofnewandreconstructivesmallandmedium-sizedshipyardshipyardriserapidlybecausetheyuseairbaglaunchingberth,andbecomethenewbloodofthecivilian-runshipbuildingcompany.Thispaperdescribetheairbaglaunchingsynopticallyintheevolutionprocessofhistorical,therelatedconceptsandthethetheory,safetyproblemsandthedevelopmenttrend.What’smorethearticlelisttherelatedcalculationformulaandmechanicalsafetymeasuresdetailly.Usingthetheoreticalcalculationandtestmethodprovefullythattheairbaglaunchingtechnologyisfitforthepresentsituationofthesmallandmedium-sizedshipbuildingsandexistthedevelopmenttrendtolarge-sizedshipbuilderslargeships.
Keywords:Airbaglaunching,Small-mediumsizedshipbuilders,Shippingwater,
safety,
III1引言
随着中国造船业的蓬勃发展，大批中小型造船企业在中国沿海沿江地区建立起来。在船厂建设总投资额中，用于建造船台的费用的比例相对较高，且每个船台都需要配备有专用的下水装置，这就给资本原本就不够雄厚的中小企业带来很大的经济负担。为了节约成本，缩短建设周期，原本的传统下水方式需要得到改变。在此背景下，船舶气囊下水工艺成了新的选择。
随着所载重船舶吨位的不断增大，气囊下水技术的不断成熟过程分为初创阶段或小型船舶试用阶段、向中型船舶推广阶段和逐步向大型船舶推广等三个阶段。2O世纪80年代，国内一些内河船厂已经采用了船舶气囊下水新技术，使得这项简易、经济，并能适用于不同船舶建造模式下水技术得到一些推广。但是船舶气囊下水的推广工作在刚开始的一段时间开展的并不顺利。由于受到气囊结构和强度的制约，这项新技术当时只能应用在自重500吨以下的小型船舶上。直至上世纪90年代初,由于高强度尼龙橡胶气囊整体成型的技术难关被攻克，新型气囊的爆破压力被从原来的0.49MPa成功提高到了1.11MPa。这种新型气囊的投放市场引发了新一轮船舶气囊下水技术的推广潮，其发展方向也从原来的小型船舶转向中型船以及海洋船和工程船。1995年10月，湖北的浠水船厂应用气囊将一艘载重8，000吨的甲板驳船成功送下水。这次下水重量达到1200t，首次突破了1000t大关。这标志着气囊下水技术已经应用于中型船领域。
进入21世纪以来，大量的造船订单涌入我国民企，使得我国的民营造船企业得到新一轮扩张。中小型船厂强烈需要拥有更大造船能力以适应企业的发展，这也加快了气囊下水这一新技术向大型船舶发展的步伐。201*年8月3日，浙江三门健跳船厂建造的载重55000t的散货船“VICTORIAI”号下水，该船长190m，宽32．26m，下水时重量达到1201*t。这标志着船舶气囊下水技术的承载重量成功突破了万吨大关，成为实际意义上的可以应用于大型船舶的下水新技术。在当今中小型船厂迅速崛起的环境下研究气囊下水技术的应用问题，对造船业的发展以及下水方式的改进有着十分重要的意义。本文就这一方面的问题做一探讨。
2船舶气囊下水工艺的力学计算
2.1摩擦力的计算
滚动摩擦机理是计算滚动摩擦力的理论基础，主要表现在四个方面：微观滑动、弹性滞后、塑性变形和粘着效应。通常情况是几种机理同时影响着滚动摩擦发生的整个过程，这也就使滚动摩擦与滑动摩擦定律之间出现了差异，因此我们说滚动摩擦系数并非一个常数，它随着滚动物体的物理参数和接触物体的材料性质等客观条件的改变而变化。因此一些相关知识书籍中所罗列的滚动摩擦系数在实际应用中因客观条件不同会存在很大的差异。当对船舶进行气囊下水时，为了便于研究与计算，我们将气囊作为弹性圆柱体，近似认为地面和船底平面都为刚体。在运动过程中，由于压缩应力与剪切应力对气囊的共同作用使其产生了弹性变形。于是出现了一个由于弹性形变然后又恢复（或部分恢复）原状的过程，这中间产生被消耗用于克服橡胶内摩擦力的能量损失，也是组成滚动摩擦阻力的主要因素，我们定义其为弹性滞后损失。由于这种现象的存在，通常用弹性圆柱体所做的功φ1与弹性滞后系数Λr的乘积Λrφ1来表示气囊滚动时消耗功与复原功之差即滚动摩擦力Fm。
FmΛrφ1（1）据试验资料分析显示，在刚性圆柱体沿着弹性面滚动时，由于接触区前部的压力作用会引起的力矩M：
M∫b0XP（X）dx2Nb/3错误！未找到引用源。（2）
式中，N为圆柱体全长所承受的载荷；
b为接触面的1/2宽度。则：
φ1M/R2Nb/3πR（3）将式（3）代入式（1）可得：
Fm2ΛrNb/3πR（4）又因滚动摩擦系数Fm/N则：Λr2b/3πR,（5）其中，Λr为弹性滞后损失系数；
b为气囊的接触面的1/2宽；R为气囊的半径。
通常情况下Λr≈3.3a，a表示在单轴拉伸压缩试验中材料的滞后损失系数。依照此式，对橡胶的单轴拉伸试验得：a8％，因此可得，Λr0.264；
则：0.056b/R（6）根据力学的模型（见图2-1）。
图2-1滚动摩擦力学模型图
可得：Fm2N/d（7）式中：为滚动摩擦系数；
N为气囊承载；d为气囊直径。
所以船厂在设计船台坡度的时候，通常会考虑到船舶吨位越大，由坡度产生的下滑力也会随之增大。太大的下滑力会使船舶下水速度过快，不利于施工人员操作而且增大了安全隐患，因此为了控制船舶下水时的牵引力，在设计大船的下水船台时一般选用较小的坡度。对于采用气囊下水的船舶，摩擦力起到的是阻止船舶下滑的作用。如果根据船台坡度计算的船体下滑力小于摩擦力，船舶将无法完成顺利下滑。因此，对于船舶下水，摩擦力的计算主要用于估算船舶是否能自动下滑。
2.2牵引力的计算
因为船体船台存在坡度，船体重量在其作用下分解为重力和下滑力Fx,Fx=Qsinα（8）式中；Q为船体的下水重量；
α为船台坡度；
当Fx＞Fm时,船舶可以自动下滑。
一般情况下，为了减小牵引缆车所需的牵引力，施工人员会将牵引钢丝与滑轮组配合。如果单独使用牵引缆车作业，则可用下面计算公式；
Fq=Fx/kn（9）式中；Fq为牵引缆车牵引力；
k为裕度系数，通常取值为0.75～0.85；n为滑轮组之间的钢丝缆绳根数；Fx为船体下滑力。
2.3滚动气囊数量的计算
滚动气囊数量的选取主要取决于船体自身的重量和囊体与船底纵肿剖面处接触的累计长度。对于一般船型，根据式（10）计算可得
N=K1Q/（RL1）（10）式中:N为滚动气囊数量；
K1为系数,K1=1.1～1.3；Q为船舶自身的下水重量；
R为气囊允许的承载能力，可按产品参数选取；L1为气囊囊体与船底纵肿剖面处接触的累计长度。
2.4滚动气囊的布置间距
船舶气囊的布置间距对下水过程有着很大的影响，因此设计的滚动气囊之间的中心距应至少满足两个条件:船舶结构强度、避免滚动气囊压叠在一起。其间距的控制可根据式(11)和式(12)来计算完成。
L/（N-1）≤6（11）L/（N-1）≥πD2+0.5（12）式中:L为船舶底部适合垫气囊部分的长度；
N为气囊的数量，可根据式（10）算得；D为滚动气囊的囊体公式直径。
2.5船舶下水的制动力
船舶在下滑过程中，随着船舶的移动，要不断添加和搬动船底部的气囊，因此要求滑动中的船能够及时停下来，这就需要使用牵引缆车来制动下滑的船舶。其制动力的大小取决于制动时间T，一般取T=2～5秒。
Fz=QV/T（13）式中:Q为船舶下水重量；
V为移船速度；T为绞车制动时间。
由于绞车的制动时间很难有精确的计算数值，所以s取的越小，制动力Fz较大，牵引系统较安全。从公式（13）可以看到，在船舶下水过程中，船舶下滑速度越慢越安全。停船时的制动时间越长，牵引系统受力越小。所以在设计中要尽量使船放慢下滑速度，减小制动时间。如果牵引钢索与船体基线存在较大的夹角，应该把因夹角产生的影响提前考虑，并适时调整角度。
3船舶气囊下水的主要操作流程
经过多年的时间与探索，我国气囊下水的工艺流程以渐趋成熟，为今后的推广与应用提供了保障。其主要流程包括：
（1)根据计算数据,准备好必备机械及器材，如滚动气囊、起重气囊、牵引绞车等，并检查完毕。气囊使用前应通过1.25倍的许用压力的空载充气检验,发现漏气现象应及时修补或更换，然后再投入应用,并编制详细的下水工艺流程。
（2)及时清除船台及周边场地上的一切杂物和有可能影响气囊滚动的障碍物，以免造成气囊滚动过程中受到不必要的破损。用绳索系住绞车动滑轮组，并将系船绳索从船艏部引入船体内部,捆绑在强力构件上，以保证在牵引时不会因受力过大而出现船体损坏，或其他突发情况。
（3)根据计算结果要求的间距填入滚动气囊,对气囊充气后使船舶重量全部承压于滚动气囊上，并及时将船底的礅木拆除。要注意的是，所有气囊应对准船体中心排列。滚动气囊的囊头须伸出舷侧，但是伸出部分不宜过长。
（4)及时根据船舶运动情况调整各位置气囊的内压,使船整个底部保持在
适宜的高度,以保证船舶在移动过程中不与地面发生碰触。同时为了人员安全，操作人员必须站在气囊嘴的侧面作业。完成以上工作后，启动牵引车,放出钢丝绳,使船舶借助下滑力的作用滚动气囊。当最上面的一只气囊脱离船底后,立即将其移到艉部,并按照要求的排放间距顺次排放。重复上述过程,直至船尾进入水中再无法置入气囊。
（5)及时撤离危险区的所有人员,以免造成不必要的人身伤害。当水深等条件达到要求时,砍断缆绳,使船舶自由滑入水中。如果水面较窄,无法满足快速下水的条件,可仍按原有的速度下水。在船舶拖靠码头后回收所有气囊。
4船舶气囊的选用
气囊作为船舶采用气囊下水工艺的最重要的工具，对其选用除了要根据力学计算公式提供的数据，还要综合考虑到船台地质的差别。例如，地质较硬的船台可以选用高压气囊，从而使气囊有较大的承重能力。同时船舶的宽度也可以作为选择气囊长度的依据。气囊直径的选则可以参考下水船舶当前船底与船台平面之间的间距。值得注意的是，选定气囊规格后应根据该气囊的参数重新进行计算核对。气囊的规格参数见表4-1。
表4-1船用下水气囊的主要技术参数表
种类直径m0.811.21.51.80.811.21.51.82压强Mpa0.130.10.090.080.070.260.20.180.160.140.14工作高度m0.20.20.20.20.20.20.20.20.20.20.2载重量t/m12121416.518242528333640压强Mpa0.110.090.080.060.050.220.180.160.120.10.1工作高度m0.40.50.60.70.80.40.50.60.70.80.9载重量t/m777.57.58141415151617中压气囊高压气囊
5气囊的安全性问题及对策
船舶气囊下水的事故主要包括三个方面，即气囊爆裂引起的下水事故；下水过程中船体结构的损伤；下水船舶对环境的破坏。在船舶气囊下水发生的所有事故中，因下水时气囊爆裂而造成的下水事故占较大比例，尤其是在采用前几代老式气囊时期。在下水过程中，气囊在船底下的运动其实并不是简单的滚动。气囊在船底下承受船体的重量，它的运动受到船底和地面的双重制约。而且气囊在长度方向不能使恢复平衡状态的速度达到一致时，气囊就会发生扭转变形，一般我们用揉压运动来描述这种同时受到挤压和扭转的复合变形现象。当气囊产生揉压运动时，气囊的局部囊壁就会产生皱褶，而在皱褶处，由于应力集中，囊壁中的多层纤维极易产生分层，从而导致增强纤维折断或撕裂，甚至产生整个气囊爆裂的后果。气囊的安全问题仍然是下水安全的关键因素，必须科学、正确地操作才能充分发挥气囊的工作潜力，提高下水安全性。
5.1调整气囊初始压力P0提高气囊工作安全性
气囊的初始压力P。对气囊的承载状态、安全系数有着重大影响。我们通过对5艘2万吨级船舶的气囊下水进行测试，来进一步说明其重要性。工作压力大于200MPa的气囊对应的初始压力如表5-1所示。
表5-1试验气囊工作主要参数表
船名气囊号P0(kpa)P1s(kpa)P1M(kpa)HS(cm)Hmin(cm)实船4A86792201*0550～63右57710620552～65.5实船1右67611020952～65.5左G7511420353.1～61.59779722710748.4～58实船512578320311045.7～55Ps、Hs分别为气囊在船舶下水前保持静态时的内压和工作高度；P1M、Hmin分别为气囊在下水过程中的最大内压和最低工作高度。
根据试验统计可见，这些气囊在下水前的工作高度H值都保持在1m以上，P0大部分超过60kPa，而在承载力最大的区域，气囊的最低工作高度H均为0.5m左右，因而，有进一步放气降压和降低工作高度的可能和需要。实验表明将P0调整到适
当低的水平是实际可行的，是提高气囊安全性的有效措施。
5.2科学排布气囊，改善气囊承载条件
由于船舶沿船长方向的重量分布是不均匀的，目前建造的散货船、油船、集装箱船等大型船舶基本上都属于艉机型船，重心位于舯部偏后，因此在保持下水状态时船艉部分重量较大。在实际操作中，对应船舶重量的分布情况，气囊排布密度也该相应的有疏有密。
对气囊平均间距，一般可用式(14)和式(15)来校核。错(14)
LπD0.4N12误！未找到引用源。
错误！未找到引用源。
(15)
式中：L为船底摆放气囊的实际长度；
N为滚动气囊(不含接续气囊)的数量；D为滚动气囊的囊体公称直径。
5.3船体结构的安全性
与船舶纵向滑道下水相似，气囊下水时同样也会有出现船体结构损伤现象。为了尽可能减小损伤程度，对万吨级以上的大型船舶在下水前必须进行下水计算。经过多年探索，专业工程人员已编制出了专门的船舶气囊下水计算软件。对下水前的工艺设计中要求进行的各项计算，该软件可以方便、快捷地完成，并准确判断出在给定的条件、环境下船体是否会发生结构损伤。此方法是通过将船体视为刚体，气囊作为非线性弹簧，建立力学平衡方程，求解方程获得船舶姿态。然后根据气囊高度计算出气囊对船体的支持力，并换算为作用于船底板格上均布力，按照刚性板理论，用式(16)计算船底板的应力。
纵骨边横向应力近似公式：
pS5000(16)
L100t2式中P为气囊作用在相应肋位的荷载；
L为气囊长度；Z为肋板间距；S为纵骨间距；T为船底板厚。
计算结果与实测数据作比较(见表5-2)，得出结论，气囊所受压力值与高度值成反比，即气囊所受到的压力最大的时其高度值最低，与实际情况相符合。而且从表中可以看出计算得到的气囊压力最大值略大于实测结果，这说明气囊计算程序还有少量的安全储备，利于施工安全。由于静水力计算时没有将惯性力的作用考虑在内，所以在船体重心越过船台端点时，转动惯性力会很大，静水力计算不能较好地描述船体此时所处姿态，但可以锁定气囊下水时比较危险的部位，以利于作业人员提前准备。
表5-2计算结果与实测数据作比较表
船名实船1实船2实船3实船4实船5中心位置Fr818610410485最大气囊压力Mpa0.1870.210.1950.201*.228发生肋位10388969498最大气囊压力Mpa0.1770.2220.2270.2460.214下水危险区域Fr90--10090--11195--12095--12085--110相对误差%-0.52.8815.52.6
5.4气囊下水的安全标准
气囊下水的安全性与众多因素有关，通过大量的理论和实验研究，订立了宽阔水域的气囊下水安全标准，为下水安全提供更完善的保障。第一，万吨级船台气囊下水应经过理论计算，操作应遵循万吨级船台气囊下水工艺规程(草案)；第二，气囊的最小间距一般不小于公式(15)要求的值；第三，气囊被压缩后的最低高度不得小于25mm；第四，气囊的瞬时最大压力不得超过气囊极限承载力的一半；第五，可采用公式(16)近似计算船底板应力，瞬时应力不得超过船底板屈服极限的1.2倍。
结论与展望
（1）结论
信工部发的统计数据显示201*年全国造船完工量、新承接船舶订单量、手持船舶订单三大指标均超过韩国，成为世界造船第一大国。这意味着下水船舶的数量巨大，而原有的下水设备及技术成本太高，建设周期长，下水工艺的改革显得日益紧迫。本文通过研究船舶气囊下水的发展，力学计算理论和安全问题可以
得出以下结论：
1．气囊下水工艺的理论研究与技术水平已渐趋成熟，工程技术人员对下水过程进行科学的计算，编制完善的下水工艺，使船舶下水的安全性得到很大的提高。
2．气囊下水技术是一项低成本、低耗能、无污染、高效率的新型船舶下水技术且具有强大的生命力和发展空间。只要有适合的船台，以及正确的操作工艺流程，通过技术创新，提高气囊承载力，下水船舶的吨位还可以有较大幅度的提高。（2）展望
1．科研人员进一步深入进行理论研究；
同日益发展的船舶气囊下水行业相比，气囊下水的理论研究队伍还显得有些单薄。随着船舶采用气囊下水向更高目标迈进，理论研究落后于实践的问题逐渐显现出来，这项我国自主创新的技术还有一些理论问题有待我们去探索。
2.下水前进行船舶下水前的可行性论证；
随着气囊下水船舶吨位的不断增大，下水过程中的不确定因素也随之增加。船舶气囊下水前，必须进行可行性论证，并制订出应急预案，以确保下水安全。
3.社会各方面能够加强对船舶气囊下水这一行业的宏观指导；
船舶气囊下水作为一个新兴产业，在发展过程中，必然会遇到各种的问题和困难，单靠某一个企业或单位去解决，人力、财力有限，需要行业主管部门的支持并在现在基础上进一步加强宏观指导，以全行业的力量去共同研究探索，以期取得更好的成效。
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