丁 邦 建

（南通力威機(jī)械有限公司，江蘇 如皋 226500）

海洋船舶（平臺(tái)）下水牽引力計(jì)算的影響因素分析

丁 邦 建

（南通力威機(jī)械有限公司，江蘇 如皋 226500）

目前尚無(wú)海洋船舶（平臺(tái)）下水牽引力的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法或規(guī)范，導(dǎo)致在計(jì)算時(shí)考慮因素不充分，選用的絞車(chē)?yán)Σ粔?，出現(xiàn)牽引不順暢，船舶不能順利下水。通過(guò)對(duì)海洋船舶及海洋平臺(tái)下水計(jì)算牽引力相關(guān)的諸多因素分析及選用合理的計(jì)算方法，為正確選用牽引設(shè)備提供依據(jù)。

海洋船舶；牽引力；下水；摩擦系數(shù)；摩擦式絞車(chē)

0　引 言

海洋船舶（平臺(tái)）下水的方式很多，都需要牽引設(shè)備來(lái)牽引。一般選用摩擦式絞車(chē)（卷?yè)P(yáng)機(jī)），因?yàn)檫@種絞車(chē)由主輔機(jī)組成，主機(jī)起牽引作用，輔機(jī)起容繩作用，容繩量大，一般可達(dá)3000～5000m甚至更多。使用多倍率滑輪組，能保證定點(diǎn)出繩，額定速度無(wú)內(nèi)外層影響，速度一致，電機(jī)功率使用合理，便于多臺(tái)同步控制。

在下水過(guò)程中，遇到牽引力不能滿(mǎn)足實(shí)際牽引的要求，甚至相差很大，導(dǎo)致下水不順利的原因，是在選用絞車(chē)牽引時(shí)，只考慮船體自重和手冊(cè)上理論摩擦系數(shù)、滑輪效率，忽視其他因素，導(dǎo)致選用牽引力不足，使船舶不能順利下水或絞車(chē)超負(fù)荷使用，帶來(lái)安全隱患。

幾個(gè)明顯的現(xiàn)象可以判斷絞車(chē)的超載：1） 鋼絲繩拉力傳感器顯示實(shí)時(shí)拉力和實(shí)時(shí)顯示電流數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)；2） 軌道副壓潰，使原摩擦面損壞，牽引力增大；3） 正常下水時(shí)，船舶被牽引作勻速運(yùn)動(dòng)，如果超載大，這種勻速移動(dòng)就變成靜止→加速運(yùn)行→減速運(yùn)行→靜止這種周期性的運(yùn)動(dòng)。如果船舶擱在岸和海的交界處，牽引設(shè)備損壞不能繼續(xù)牽引，不但造成人工及材料的浪費(fèi)，甚至?xí)p傷船體。所以必須重視海洋船舶下水牽引影響因素分析與計(jì)算。

1　海洋船舶下水牽引力分析與計(jì)算

1.1海洋船舶下水布置及結(jié)構(gòu)

圖1為兩臺(tái)絞車(chē)通過(guò)滑輪組同步牽引船舶下水（入塢狀態(tài)）系統(tǒng)示意圖。由牽引絞車(chē)、滑輪組、滑輪組兩固定端（船體牽引另端固定端）、改向滑輪、地基（浮船壓載艙）、滑道（下軌道）、上導(dǎo)軌、支承件及船體等組成。

圖1　船舶下水布置（入塢狀態(tài)）

絞車(chē)鋼絲繩通過(guò)改向滑輪進(jìn)入滑輪組實(shí)施牽引。由于牽引船體從靜止開(kāi)始，其摩擦系數(shù)很大，往往通過(guò)千斤頂在船體后部輔助作用，使絞車(chē)順利牽引。

1.2摩擦力F

摩擦力是牽引主要受力

其中選擇合適的摩擦系數(shù)是關(guān)鍵。查閱有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)上的摩擦系數(shù)表，皆為一般情況下的試驗(yàn)數(shù)值，表中的數(shù)據(jù)只能作參考。船舶下水的工況只選用表中現(xiàn)成的摩擦系數(shù)，會(huì)造成計(jì)算不準(zhǔn)確。實(shí)際工況中，影響摩擦系數(shù)的因素很多。

1.2.1摩擦面粗糙度影響

對(duì)于船舶下水的使用軌道摩擦面又寬又長(zhǎng)，一般不可能進(jìn)行機(jī)械加工來(lái)改善表面的粗糙度，整個(gè)導(dǎo)軌不平度相差大。導(dǎo)軌長(zhǎng)度達(dá)200～300m，每點(diǎn)都在一個(gè)水平面內(nèi)很困難。圖2為下雨天拍攝的下軌道，一部分積水深度達(dá)15mm，一部分在水上達(dá)到10mm，最大高度差達(dá)25mm左右。

1.2.2潤(rùn)滑影響

一般資料介紹有潤(rùn)滑、無(wú)潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)，在船舶下水工況中一般都取有潤(rùn)滑下使用，實(shí)際使用過(guò)程中，雖然承壓的導(dǎo)軌面上涂滿(mǎn)了潤(rùn)滑油，運(yùn)動(dòng)不久后先前涂抹的潤(rùn)滑油就被擠出，由于軌道面寬并很長(zhǎng)，中間沒(méi)有潤(rùn)滑點(diǎn)，潤(rùn)滑油很難進(jìn)入大部需要承壓的潤(rùn)滑面，形成不了良好的油膜。所以選擇有潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦系數(shù)與實(shí)際工況不完全相符，且摩擦系數(shù)相差很大。

1.2.3溫度和濕度影響

1） 溫度影響

在一定的溫度范圍條件下，隨著環(huán)境溫度的提升，材料的摩擦系數(shù)有一些變化，但變化的大小因材料而異。有關(guān)試驗(yàn)表明，制動(dòng)摩擦面的適宜工作溫度 100～350℃，劣質(zhì)制動(dòng)摩擦片在溫度達(dá)到 250℃時(shí)，其摩擦系數(shù)就急劇下降。

2） 濕度影響［1］

通過(guò)對(duì)金屬-金屬摩擦副包括T8A-T8A，T8A-AL和AL-AL，3種分別代表了硬材料-硬材料、硬材料-軟材料和軟材料-軟材料的試驗(yàn)，金屬-金屬副的靜摩擦系數(shù)見(jiàn)圖 3。可見(jiàn)隨相對(duì)濕度增加，3種金屬-金屬摩擦副的靜摩擦系數(shù)均增大。所以空氣濕度對(duì)船舶下水的摩擦系數(shù)影響較大。

圖2　拍攝的軌道面不平誤差

圖3　金屬-金屬副的靜摩擦系數(shù)

1.2.4導(dǎo)軌比壓對(duì)摩擦系數(shù)的影響

在大連某船舶有限公司，船舶下水中摩擦副為木材與鋼件導(dǎo)軌，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)木材被壓潰開(kāi)裂變形。

廣州中遠(yuǎn)某船務(wù)公司選用摩擦副為鋼-鋼，為減少摩擦系數(shù)和相同材料的咬合，采用不銹鋼鐵皮墊在導(dǎo)軌面上，在牽引過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)不銹鋼因受力皺起的現(xiàn)象。說(shuō)明這種材料的比壓承受不了實(shí)際壓力。

壓力很小時(shí)，摩擦系數(shù)為常數(shù)，與壓力無(wú)關(guān)，牽引壓力增大到一定數(shù)值后，潤(rùn)滑劑被擠掉，表面油膜被破壞，兩摩擦副分子吸附作用增強(qiáng)，從而使摩擦系數(shù)隨壓力增加而增加，增加到一定程度后趨于穩(wěn)定。如果出現(xiàn)上述原因，摩擦系數(shù)劇增，導(dǎo)致摩擦面損壞。表1是根據(jù)連尼氏測(cè)得滑動(dòng)摩擦系數(shù)與壓力關(guān)系，可見(jiàn)摩擦系數(shù)隨壓力改變變化很大，也很難確定一個(gè)合理的數(shù)值。這種情況下，其摩擦系數(shù)超過(guò)了無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦系數(shù)，至少按無(wú)潤(rùn)滑摩擦系數(shù)來(lái)考慮。所以計(jì)算時(shí)首先要保證軌道承受的壓力在允許的壓力范圍內(nèi)。

1.2.5摩擦系數(shù)與速度的關(guān)系

表2（中國(guó)百科網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)）列出的數(shù)據(jù)雖然不適合船舶下水的速度。從表2可知，速度與摩擦系數(shù)的關(guān)系較大，特別是船舶下水速度比較慢，摩擦系數(shù)將更大。

經(jīng)上述幾個(gè)方法對(duì)摩擦系數(shù)的分析，可見(jiàn)不同工況場(chǎng)合摩擦系數(shù)相差很大，甚至成倍疊加差別，計(jì)算出的牽引力也就會(huì)有顯著差別。

1.3坡度影響

在坡度上牽引船舶受力狀況見(jiàn)圖4。

式中：G——移動(dòng)船體總質(zhì)量； FP——牽引力。

表1　滑動(dòng)摩擦因素與壓力變化關(guān)系

表2　摩擦系數(shù)與速度的關(guān)系

1.4風(fēng)力載荷影響

由于海邊經(jīng)常遇到風(fēng)力較大，不可忽略，對(duì)牽引力的影響也比較大，在《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》［2］有詳細(xì)的計(jì)算參考。

1.5幾個(gè)牽引點(diǎn)牽引力［3］不均勻性

船舶下水由各公司根據(jù)各自實(shí)際設(shè)計(jì)的牽引點(diǎn)的數(shù)量，少則兩點(diǎn)，多則達(dá)到二十幾個(gè)點(diǎn)，理論上保證各牽引點(diǎn)的拉力相同且同步，實(shí)際上不可能理想化，有的相差還很大。即使采用兩牽引點(diǎn)進(jìn)行牽引，理論上同步，且拉力相等，實(shí)際兩牽引點(diǎn)移動(dòng)有超前和滯后現(xiàn)象，兩套滑輪組鋼絲繩，拉伸長(zhǎng)度不一致。牽引點(diǎn)越多，牽引力更不均勻。

機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［4］中雙鍵強(qiáng)度計(jì)算，只能按1.5個(gè)鍵的數(shù)量計(jì)算，又如計(jì)算牙嵌離合器的強(qiáng)度時(shí)計(jì)算齒數(shù)只能按設(shè)計(jì)齒數(shù)的1/3～1/2計(jì)算，這些都是考慮實(shí)際受力過(guò)程雙鍵和多個(gè)點(diǎn)不均勻受力，而船舶牽引多點(diǎn)受力的不確定性更大。

1.6上下摩擦運(yùn)行時(shí)的水平側(cè)向力阻力

上下導(dǎo)軌相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其側(cè)面（導(dǎo)向）相互摩擦也產(chǎn)生一定的阻力從而增加牽引力。

圖4　坡度上船舶牽引受力

1.7滑輪組

滑輪組倍率和效率的計(jì)算都是應(yīng)用規(guī)范性的計(jì)算，需要注意的是實(shí)際存在的狀況對(duì)傳動(dòng)效率的影響。

1） 應(yīng)考慮滑輪內(nèi)軸承是滑動(dòng)軸承還是滾動(dòng)軸承，軸承有無(wú)損壞；2） 是否有完全的潤(rùn)滑；3） 潤(rùn)滑油能否進(jìn)入潤(rùn)滑點(diǎn)，特別是滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑，在重載的情況能否保證完全潤(rùn)滑，在現(xiàn)場(chǎng)遇到過(guò)一端滑輪隨著漲潮全部設(shè)在海水中，另一端聽(tīng)到滑輪軸承與軸因失油摩擦而產(chǎn)生的尖叫聲；4） 潤(rùn)滑劑的選用。

2　計(jì)算牽引力

牽引力計(jì)算一定要從實(shí)際工況出發(fā)進(jìn)行計(jì)算，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，先分析影響牽引的因素，再分析這些因素對(duì)該工況的影響，如影響不大，可忽略不計(jì)，如影響敏感的就必須要考慮，比如：盡管實(shí)際計(jì)算摩擦系數(shù)工作較復(fù)雜，但對(duì)于摩擦系數(shù)選擇，有的最好進(jìn)行試驗(yàn)得出。有些地方基本上沒(méi)有多大風(fēng)力就可不考慮，有些地方風(fēng)力很大則必須考慮風(fēng)力的影響。

由于計(jì)算與實(shí)際牽引過(guò)程間還有些不確定因素，建議在計(jì)算牽引力增加10%～15%的安全系數(shù)。

3　牽引力不足的處理措施

對(duì)于已經(jīng)配置的、已經(jīng)超負(fù)荷牽引過(guò)的絞車(chē)建議采用以下措施改善。

1） 改善軌道的潤(rùn)滑，將承壓導(dǎo)軌面涂滿(mǎn)潤(rùn)滑油，并建議在上軌道全長(zhǎng)上設(shè)若干潤(rùn)滑點(diǎn)，不斷補(bǔ)充潤(rùn)滑油改善其潤(rùn)滑（見(jiàn)圖5）；

2） 對(duì)絞車(chē)進(jìn)行保養(yǎng)，因?yàn)榻?jīng)受過(guò)嚴(yán)重的超載，要仔細(xì)檢查各零件的變型、磨損情況，連接螺栓的松動(dòng)、失效情況，對(duì)一些需要更換的零件作更換處理；

3） 重新設(shè)計(jì)下水牽引方案，如果絞車(chē)牽引不夠，可以選擇相應(yīng)的措施：（1） 增加牽引絞車(chē)的數(shù)量來(lái)增加牽引力；（2） 增加滑輪組倍率，用此方法增加了牽引力，但速度會(huì)隨倍率增加而下降。

圖5　上軌道增加潤(rùn)滑點(diǎn)

［1］ 盛選禹，雒建斌，溫詩(shī)鑄. 相對(duì)濕度對(duì)幾種摩擦副靜摩擦系數(shù)的影響［J］. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2001 （1）： 42-46.

［2］ 張質(zhì)文，虞和謙，王金諾，等. 起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］. 北京：中國(guó)鐵道出版社，1998.

［3］ 崔永平. 掘進(jìn)機(jī)牽引力和牽引阻力分析［J］. 煤礦機(jī)械，2010 （2）： 69-70.

［4］ 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

Analysis of the Influencing Factors on Traction Calculation of Ocean-going Vessel （Platform） Launching

DING Bang-jian

（Nantong Liwei Machinery Co.，Ltd.， Jiangsu Rugao 226500）

There is no standard calculation method or rules regarding the traction for launching of ocean-going ships or platforms up till now， which may lead to insufficient consideration of influencing factors in calculation， or the w inches to be used having insufficient pulling force， or unsmooth ship launching due to poor traction and so on. Through analyzing various influencing factors concerning traction calculation for the launching of ocean-going vessels and platforms， and through application of proper calculation methods， this paper w ill provide basis for correct selection of traction equipment.

ocean-going vessels； traction； launching； friction coefficient； friction type w inch

輪機(jī)與輔機(jī)

U671.5

A

2095-4069 （2016） 02-0027-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.02.006

2015-03-11

丁邦建，男，高級(jí)工程師，1963年生。1986年畢業(yè)于江蘇工學(xué)院機(jī)械制造工藝及設(shè)備專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)為江蘇省海洋作業(yè)平臺(tái)系泊定位系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心主任，從事海洋工程系泊定位系統(tǒng)、工程船起重絞車(chē)和甲板機(jī)械等研究開(kāi)發(fā)。