（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）超大型总段工艺装备的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 进入新世纪以来，造船业飞速发展，整个行业内的竞争也越来越激烈。在这种大形 势下，国内外很多船厂积极实行更高效的造船模式来增强在市场中的竞争力。国内现阶 段，制约造船效率的主要因素是总段重量受起重能力的影响无法增大，从而使预舾装面、 预涂装面等都受到影响，造成船坞使用周期长，造船速度难以提高的局面。 通过本论文的分析表明转变造船模式是提高造船效率的根本。超大型总段高效建造 模式不但提高了造船效率和产量，而且有减少投资费用、较快形成产能等优点。 本论文首先对可承载超大型总段的各种拖移工艺装备进行了分析，通过对比，选择 更适合拖移超大型总段的两种工装系统进行了详细的研究。研究中以3 0 万吨级的v l c c 为算例，对拖移及下水过程进行了详细的分析和计算。 研究中首先建立了滑道拖移情况下的力学模型，在力学分析的基础上，系统的研究 了地面的负载、布置墩木的负载、滑靴表面的载荷布置等对拖移工艺装备优化计算的影 响，并以有限元法为基础，建立了滑靴的有限元优化模型，以体积为优化的目标函数， 以滑靴钢板的v o nm i s e s 应力为状态变量，对滑靴的各种结构参数进行了优化计算。此 外，对卷扬机及钢索的选取，滑靴螺栓的选取做了详细的计算与分析。 其次，通过对船用气囊理论计算模型的研究，将气囊简化成多个弹簧组成的弹簧组， 并将总段简化成变截面梁，从而建立了气囊拖移的力学简化模型。文中还详细研究了用 气囊拖移万吨以上的超大型总段的拖移方法。 最后，对超大型总段运输系统需要的一些其它辅助工艺装备进行了详细的分析和研 究，如连接横梁、码头护舷等设备。 本论文首次把超大型总段拖移、下水过程中的工艺装备作为研究对象，通过力学分 析和力学模型的建立，为超大型总段拖移系统的实现提供了理论基础。为我国船厂使用 超大型总段高效建造模式奠定了基础。 关键词：超大型总段造船法；滑道；滑靴；气囊 超大型总段工艺装备的研究 r e s e a r c h e so nt e c h n o l o g i c a l e q u i p m e n t si ns u p e rb l o c k c o n s t r u c t i o n m e t h o d a b s t r a c t i nt h en e w c e n t u r y ，s h i p b u i l d i n gi n d u s t r yd e v e l o p sr a p i d l y ，c o m p e t i t i o nw i t h i nt h ew h o l e i n d u s t r yb e c o m ei n c r e a s i n g l yf i e r c e u n d e rt h i ss i t u a t i o n ，m a n ys h i p y a r d sa c t i v e l yp u r s u ea m o r ee f f i c i e n ts h i p b u i l d i n gm o d e lt oe n h a n c et h es h i p b u i l d i n gc o m p e t i t i v e n e s si nt h em a r k e t o nt h ed o m e s t i cp r e s e n ts t a g e ，t h em a i nf a c t o r sc o n s t r a i n i n gt h ee f f i c i e n c yo fs h i p b u i l d i n gi s t h em a s so ft h eb l o c kc a nn o tb ei n c r e a s e db yt h er e s t r i c t i o no fl i f t i n gc a p a c i t y ，s ot h a tt h e p r e o u t f i t t i n gl e v e l ，p r e - c o a t i n gl e v e la r ea l la f f e c t e d ，r e s u l t i n gi nal o n gl i f ec y c l eo fd o c k s ， a n ds p e e do fs h i p b u i l d i n gi sd i f f i c u l tt or a i s e t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ep a p e r , w ec a na r r i v e a tac o n c l u s i o nt h a tc h a n g e si n s h i p b u i l d i n gm o d e li sf u n d a m e n t a lt oi m p r o v ee f f i c i e n c yi ns h i p b u i l d i n g t h es u p e rb l o c k c o n s t r u c t i o nm e t h o dn o to n l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c ya n do u t p u to fs h i p b u i l d i n g ，b u ta l s o r e d u c e si n v e s t m e n tc o s t s ，a n dr a p i df o r m i n gp r o d u c t i o na n ds oo n f i r s t l y ，k i n d so ft e c h n o l o g i c a le q u i p m e m sc a r r y i n gs u p e rb l o c ka r ea n a l y z e d b yc o n t r a s t ， t w om o r es u i t a b l ed r a g g i n ge q u i p m e n t sa r ec h o s e na n da n a l y z e di nd e t a i l i nt h ep a p e r ，it a k e t h e3 0 0 0 0 0t o n sv l c cf o re x a m p l e ，t h ep r o c e s so fd r a g g i n ga n dl a u n c h i n ga r ea n a l y z e da n d c a l c u l a t e d t h es t u d ye s t a b l i s h e dt h em e c h a n i c sm o d e lo nt h es i t u a t i o no fd r a g g i n gb y s k i d w a y t h ei n f l u e n c eo no p t i m i z a t i o n - c a l c u l a t i o nf o rd r a g g i n gt e c h n o l o g i c a le q u i p m e n t sb y g r o u n dl o a d ，t h ep r e s s u r eo fp l a n c o n s ，l o a dd i s t r i b u t i o no ns k i d w a yh a sb e e nr e s e a r c h e d b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，e s t a b l i s h e das l i d i n gs h o e sf i n i t ee l e m e n to p t i m i z a t i o n m o d e l m a k i n gv o l u m ea st h eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v e ，y o nm i s e ss t r e s so ft h es t r u c t u r ea st h e s t a t ev a r i a b l e ，v a r i o u ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fs k i d s h o ea r eo p t i m i z e d i na d d i t i o n ，t h e s e l e c t i o no fh o i s t ，c a b l ea n ds k i d s h o eb o l t si sg o tad e t a i l e dc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s s e c o n d l y ，b yt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm o d e lf o rm a r i n ea i r b a gr e s e a r c h ，a i r b a gw i l lb e s i m p l i f i e di n t os e v e r a ls p r i n g sw h i c ha r ef o r m e di n t os p r i n gg r o u p ，a n dt h es u p e rb l o c ki s s i m p l i f i e di n t ov a r i a b l ec r o s s s e c t i o nb e a m s ，t h u se s t a b l i s h i n gt h em e c h a n i c a lm o d e lo fa i r b a g d r a g g i n gm o d e l t h em e t h o do fd r a g g i n gh e a v i e s ts u p e rb l o c kh a sb e e na l s os t u d i e da n d a n a l y z e d f i n a l l y ，t h eo t h e ra c c e s s o r i a lt e c h n o l o g i c a le q u i p m e n t su s e di ns u p e rb l o c kt r a n s p o r t s y s t e ma r ec o n d u c t e dad e t a i l e da n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，s u c ha sc o n n e c t i n gb e a m s ，f e n d e r sa n d m a n y o t h e re q u i p m e n t s 大连理工大学硕+ 学位论文 i n t h i sp a p e r ，f o rt h ef i r s tt i m e ，t h et e c h n o l o g i c a le q u i p m e n t so nt h es t a g eo fd r a g g i n g a n dl a u n c h i n gi ns u p e rb l o c kc o n s t r u c t i o nm e t h o da r ei n v e s t i g a t e da ss u b j e c t ，t h r o u g ht h e m e c h a n i c a la n a l y s i sa n dm e c h a n i c a lm o d e l ，i tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es u p e rb l o c k t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m i tp r o v i d e s af o u n d a t i o nf o rc h i n e s es h i p y a r d su s i n gs u p e rb l o c k c o n s t r u c t i o nm e t h o di nc h i n a k e yw o r d s ：s u p e rb r o c kc o n s t r u c t i o nm e t h o d ；s k i d w a y ；s k i d s h o e ；a i r b a g i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：超太型! 垦壁王艺装叠的盟壅 作者签名： 盐圭龟毯 日期：迎望年j 旦月上l 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：一一一垫盘型蔓纽垫姿垂尘塑垒 作者签名：望遂煞日期：三生年生月主l 日 导师签名：二乏4 二奠l日期：d 里 年- 三月五日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 论文研究背景 进入新世纪以来，世界造船强国正在形成船舶快速响应的制造模式。该模式以巨型 中间产品的快速生产和基于数字化技术应用的船厂流程再造为造船技术发展方向，主要 包括总段巨型化、舾装单元巨型化、平地造船、增强起重能力等内容。现阶段，制约造 船速度的主要因素是总段重量受起重能力的影响无法增大，这样舾装程度、涂装程度等 都受到影响，造成船坞使用周期长，造船速度难以提高的局面。采用超大型总段技术， 可以使进入船坞进行大合拢的总段( 已完成大部分舾装工作) 的重量提高到2 0 0 0 3 0 0 0 吨，甚至更重。一般情况下，一艘1 0 万载重吨阿芙拉型油船的分段数量为6 0 1 0 0 个， 在采用超大型总段建造法的情况下，分段重量加大到3 0 0 0 吨左右，超大型总段的数量 仅1 1 个。近些年，一些船厂在应用超大型总段造船法方面又取得了新的突破，总段重 量甚至增加到5 0 0 0 6 0 0 0 吨，总段长度加长到7 0 1 0 0 米，使1 0 万吨级船舶的总段数量 由原来的1 0 个减少到3 4 个。这种更大规模巨型总段的建造成功，进一步缩短了船坞 周期i 。 随着人类高新技术、信息技术的飞速发展和世界经济一体化进程的不断加快，特别 是我国加入w t o 以后，为了迎接国际船舶市场的挑战，适应世界造船业的发展形势，使 我国船厂在激烈的国际市场竞争中立于不败之地，我们必须建立现代高效的造船模式。 它是市场经济发展和时代的需要，是企业竞争和自身发展的需要，是我国造船业走向世 界一流造船强国的必然选择。 现代造船模式是以统筹优化理论为指导，应用成组技术原理，以中间产品为导向， 按区域组织生产，壳舾涂作业在空间上分道、时间上有序。实现设计、生产、管理一体 化，均衡连续地总装造船的生产方式。现代造船模式的主要特征是：面向制造的集成化 产品设计，船体建造壳、舾、涂一体化，精确的计划管理体系以及制造系统的持续改进 机制。 中国造船业自7 0 年代以来，一直在跟踪研究国外的造船模式，造船能力和水平不 断提高，造船产量已跃居世界第三。但我国造船模式与国际先进水平仍存在较大的差距， 由此所表现出来的生产效率的差距也是十分巨大的，这是我国造船总量和经济效益不能 同步增长和快速提高的根本原因。为确保我国造船大国和强国目标的实现，必须转变传 统的造船模式，而超大型总段高效建造模式也是在这个背景下应运而生，为高效建造提 供了一条有效的出路。 超大型总段工艺装备的研究 造船模式的转变主要经历了这样几个阶段：二十世纪4 0 年代以前，以铆接为船体 连接技术的铆接船年代和4 0 年代中后期的以焊接为船体连接技术的全焊接初期所形成 的造船模式。到6 0 年代，“焊接技术 普遍地替代“铆接技术 ，使系统导向的传统 造船方法，转变为以“区域 导向，使原来集中在船台和码头的装配、晒装、涂装作业， 扩展到车间或平地上进行。7 0 年代起，随着船舶大型化，在新船厂的建设和老船厂的改 造中，引进并全面深入地研究了“成组技术”，通过不同类型的建造过程的相似性分析， 实现了以船舶区域、作业类型和施工阶段分类，按“中间产品的概念组织造船的流水 和虚拟流水生产。以科学的方法，在时间和空间上对企业各种生产要素实现最佳配置和 优化。8 0 年代以来，电子计算机技术在造船c a d 和c a m 方面的应用不断扩大和深入， 造船精度控制技术和船舶工程管理技术的日臻完善，从而使得造船的社会技术“集成” 机制充分发挥作用，向着“空间分道、时间有序”的壳、舾、涂一体化( i h o p ) 状态，即 造船业的c i m s 方向发展，进而成为“信息密集型 产业，即现代化造船模式的高级状 斜2 l 。而现代造船模式正是缩短造船周期的重要手段。 传统的造船模式尽管也解决了造什么船的问题，但从成本和周期方面来看就存在一 个致命的弱点：传统的造船方式必须是在船体建造后，才能进行舾装、涂装。在这种造 船方法下，总体防调性很差，而且作业面也不能铺开，生产负荷也不均衡，造成大量的 等工和返工，导致成本的上升和周期的延长。从产量上看，船体完成船台或船坞工作后， 虽说船体工作就基本完成了，但大量的晒装和涂装作业还需要在船台或船坞上完成。这 样，一艘船占用船台或船坞的时间就很长。所以，提高造船产量的关键就在于解决船台 和码头的利用率，减少船舶建造中的占坞时间。增加船台和相应的码头设施，巨额的投 资对任何一家船厂的发展来说，都是一个大难度的问题，所以现代造船模式首先要解决 的就是这一环节。因此，造船模式演变到现代造船模式上来了。 传统的造船模式已经制约了我国造船工业的发展，先进的造船设施只有在先进的造 船模式下才能形成先进的造船生产力，建立现代造船模式是我国跻身于世界造船大国强 国的必由之路。 目前，我国大多数船厂在生产过程中，分段制造己经实现并行的制造模式，即分段 在分段车间制造完成后，用液压平板车运送到合拢区，使用吊装设备对分段进行合拢成 总段。再将总段吊到船台或者船坞内进行总装。在分段吊装合拢的过程中，大型龙门吊 车会一直被占用，通常一天的合拢进度大约为5 - 6 个分段，不仅合拢速度慢，也使船台 或者船坞的建造周期长，一艘v l c c 的坞内周期大约为3 个月，而且由于分段并行制造 速度大于合拢速度，造成分段堆放积压，和较先进的管理理论背道而驰1 3 j 。从总体上看， 大连理工大学硕士学位论文 我国造船企业的瓶颈在于船台或船坞大型龙门吊车工作强度高，船台或船坞建造周期 长。所以推广超大型总段造船技术迫在眉睫。而今金融危机和船市低靡期的到来，盲目 投资增加船台和船坞设施并不明智，所以超大型总段造船与平地造船法等其它先进造船 方法的结合，将会成为更好的发展方向。超大型总段造船模式实现了不用船台船坞造大 船，尤其它的并行建造方式，大大提高了造船的效率，可以使工期提前一个月甚至更多。 1 2 论文研究的目的和意义 我国造船业与日韩船厂的差距不仅是量的差距，更重要的是质的差距，本质上表现 在我国传统造船的工艺流程与国外先进的造船工艺流程的差距。日韩等造船企业不但造 船设施、配套供应等外部条件先进，而且积极开发先进的造船方法，应用较优越的管理 模式，形成了比较完善的现在造船模式，尤其是他们建造的高附加值船舶，如l n g 等 船型，技术含量较高，有非常显著的经济效益。他们积极开发的先进造船技术，如“s k i d 装配法，可使船舶在建造中占据坞内的时间最短。此方法的产生是由于吊车的起吊负荷 普遍较小，大大限制了建造大型( 重型) 分段的能力。采用“s k i d 装配法可在平地上组 装重达1 5 0 0 吨的巨大分段，再用浮吊把它们移到船坞内。该方法可减少2 0 的船舶建 造时间。“d a m ”装配法，则是为了克服韩国重工所属船厂船坞最长只有3 0 0 米的局 限性。采用在坞内把船舶分成两半( 艏、艉两部分) 同时建造，然后浮起艏、艉两部分合 并后再用“d a m ”装配法将其焊接在一起。所谓的“d a m 装配法实际上就是一个采 用先进技术的潜水箱。 面对国外企业在造船业形成的激烈竞争，我国造船业虽然积极增加资金投入，但由 于技术创新的组织力度不够，所以发展速度缓慢。为使我国造船业能飞速发展，保持和 扩大在国际船舶市场的占有率，从而取得较好的经济效益，我们必须积极开发先进的造 船技术，应用先进造船模式。 本文所介绍的超大型总段造船模式，应用并行的建造模式，大大提高了总段的重量， 由此扩大了预舾装和预涂装的工作面，从而显著的提高了造船效率，而且资金投入少， 可以较快形成产能。目前，国内还没有船厂采用超大型总段造船模式，本论文的研究成 果既可以作为技术储备，也给一些有条件采用此建造法的船厂提供了技术依据和技术指 导。通过本文的研究，希望更多的大型船厂采用超大型总段造船法，切实提高造船效率， 这对我们实现造船强国的战略目标，在技术上赶超日韩等先进造船国家，增强国际竞争 力都有重要的意义。 超大型总段- t 艺装备的研究 1 3 超大型总段高效建造模式的概述 超大型总段高效建造模式是将分段组装成3 0 0 0 吨或者更大的总段，再将这些总段 组装成1 0 0 0 0 吨以上的超大型总段，由于这些超大型总段远远超过船厂的起吊能力，所 以利用特殊的工艺装备将这些超大型总段进行拖移，最后实现下水后，在船坞或浮船坞 等设备上进行大合拢。 应用超大型总段高效建造模式的原因： ( 1 ) 船坞成为船厂生产的瓶颈，制约着造船的进度。减少船舶建造过程中的船坞 或船台的占用时间，可以大大提高生产效率。 ( 2 ) 为了实现高效建造模式，总段的重量越大，效率越高，受船厂的起吊能力影 响，总段的重量上不去。 ( 3 ) 国内大部分船厂应用串行的建造模式，即分段建造后，合拢成总段，总段最 后合拢成整船，效率很低。 超大型总段建造模式的优点： ( 1 ) 并行的建造模式。 正因为并行作业代替了以往的串行作业，才得以大大缩短船台或船坞周期，提高了 生产效率，使工期提前一个月甚至更多。 图1 1我国现行船厂造船模式 f i g 1 1 t h ep r e s e n tc o n s t r u c t i o nm e t h o di ns h i p y a r d so fc h i n a 如图1 1 所示的船厂现行建造模式，分段可以实现并行制造，完成后，在坞内或者 船台直接进行大合拢。由图1 2 所示的超大型总段建造模式，可以看到，分段合拢成总 段后，可在平地上直接将总段合拢成超大型总段，这个过程可以并行进行，如果超大型 总段为全船的四分之一，则合拢可节省大约四分之三的时间。这些超大型总段再在坞内 进行整船大合拢，大大减少了船坞的占用时间。 大连理下大学硕士学位论文 图1 2 超大型总段高效建造模式 f i g 1 2 t h em o d u l eo fs u p e rb l o c kc o n s t r u c t i o nm e t h o d ( 2 ) 超大型总段造船法可以与平地造船法、浮坞造船法、驳船造船法结合，不用 船台、船坞造船。尤其对于海洋平台等海洋结构物，他们的建造周期非常长，如果占用 船坞，会对整个船厂的生产进度产生影响。 ( 3 ) 总段刚性大，合拢时焊接变形小。 ( 4 ) 减少龙门吊车资源的占用。 由于船厂吊车资源有限，如果在装配中大量占用吊车资源，则成为制约效率的重要 因素。这也是超大型总段造船法的显著优势之一。超大型总段造船法中用特殊的工艺装 备进行对总段的拖移，如使用滑道、气囊等，从而缓解了吊车资源紧张引起的生产等待。 ( 5 ) 提高了造船效率和产量，并具有减少投资费用、较快形成产能等优点。 一5 一 超人型总段l 艺装备的研究 1 4 本文的主要工作 1 4 1 论文的研究目标 本论文的研究目标是建立结构简单、拆装方便、投资费用少、实用、经济的超大型 总段拖移下水系统。由于超大型总段的重量远远超出船厂的起吊能力，所以需要设计出 在平地拖移超大型总段的工艺装备，如滑靴、滑道等设备。并将国内独创技术拖移 技术，应用到超大型总段建造方法中。真正的实现超大型总段高效建造，为船厂高效建 造模式开辟出一条新路。 1 4 2 论文的研究内容 围绕论文的研究目标，本论文主要进行了以下几个方面的工作。 ( 1 ) 对几种可以拖移超大型总段的工艺装备进行了归纳与分析，确定出经济、实 用、操作简单的方案。详见论文第二章内容。 ( 2 ) 对滑道拖移方案的环境进行了详细的分析，如受力模型，地面负载等。研究 了木墩的布置方案，模拟木墩对滑靴的加载情况后，求出了最危险的加载方式。并对滑 靴等关键件用有限元软件a n s y s 进行了优化分析，得到最佳的滑靴结构，对滑靴强度 进行了校核。详见论文第三章内容。 ( 3 ) 证明气囊起升拖移超大型总段的可行性。归纳出气囊拖移超大型总段的力学 模型，将总段和气囊分别进行简化，即给出有限元简化模型。详见论文第四章内容。 ( 4 ) 对其他辅助工艺装备进行了设计，如码头护舷等。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 拖移工艺装备的研究 2 1 拖移方案的介绍 由于超大型总段重量达到一万吨左右，目前船厂的起吊能力不能实现超大型总段的 起升、平移等操作，所以必须设计特殊的工艺装备来运输超大型总段。当前可以作为超 大型总段平移设备的主要有四种类型：滑道拖移装备、轨道拖移装备、气囊拖移装备和 液压顶升系统。这四种方案有各自的优缺点，现介绍如下： 滑道拖移设备资金投入较少，主体结构简单，但辅助工艺装备多，操作稳定性不如 液压顶升装置好，而且滑道的使用需要用到摩擦介质，如滑油等，对环境污染大，且不 能重复使用。环保且可循环使用的高分子摩擦介质需要定期的保养，但使用投资少，而 且国内很多船厂有使用滑道的经验。目前，国内大型船厂较多使用滑道配合卷扬机对总 段进行拖移及下水。但对于运输超大型总段，由于总段重量大，所以很多设备都应从新 设计来满足强度的要求，并进行强度校核。 轨道拖移设备使用较少，主要因为轨道固定，只适合一种或几种总段的拖移，通用 性较差。而且需要考虑轨道滚轮的强度，因而限制了运输总段的重量。轨道拖移时运动 平稳，摩擦系数小，强度满足要求时也是一种可使用的拖移方式。 气囊是我国独创的新技术，可以实现船舶起升、拖移及下水。造价低、无污染、高 效率、高可靠性、机动灵活等特点。气囊的使用，备受各大船厂关注。如果气囊强度可 以满足运输超大型总段的条件，将是一种节省投资的较优方案。 液压顶升系统可以精确的起升、移动，对船体的载荷为面载荷，在地面上移动过程 中不会存在应力集中。控制精确，容易操作，稳定性和安全性较高。但价格比较昂贵。 2 2 滑道拖移方式介绍 工装滑道拖移方式在国内比较常见，对于拖移超大型总段，很多设备需要重新设计 或者改进。由于拖移重量较大，所以地面负载较大，通常需要对地面进行处理。在码头 和陆域滑道上连续铺设长方形的混凝土滑块，滑块之间用水泥砂浆填实，滑块顶面沿着 滑道方向铺设连续的钢板( 钢板焊在滑块上) ，滑道板上放置滑靴，滑靴的底部为木板， 木板与滑块之间涂有摩擦介质。滑靴上表面通常垫两个方墩和两个楔形墩，然后将超大 型总段放在墩上。拉点通常设置在超大型总段上，当拖拉超大型总段时，水平摩擦力首 先传至滑块，因滑块沿滑道方向是连续的，因此摩擦力由全部滑块共同承担。滑块悬出 码头前沿几十厘米，运输超大型总段的驳船上也设有相应的滑块，两组滑块对顶，然后 使用船上的绞车牵引超大型总段至船上。由此分析，陆域滑块上所受到的水平摩擦力与 超大型总段t 艺装备的研究 驳船上滑块的对顶力构成一对内力相抵消，驳船滑块受到陆域滑道的顶力与绞车的拉力 相抵消，对滑道和码头来讲不承受水平力，只对混凝土滑块内部产生纵向压力，这是滑 块滑道的一个最大优点。 对于超大型总段的拖移，设置两条滑道就可以满足要求。但地基强度有待校核。如 果只埋深钢筋混凝土滑道而使地基承载力不能满足要求，则需要对地基进行加强。通常 在地下打桩到岩石深度上，再使桩与混凝土滑块相连。但这样的滑道适应能力差，只能 拖移特定大小或相近大小的船舶。建议一些规模较大的船厂把整个地面都进行处理，来 满足超大型总段及海洋平台组块的拖移。这样，在拖移时，可随地铺设滑道滑靴进行拖 移。不需要此操作时，地面可以有其他用途，例如堆积总段等。 这种滑道拖移方式的摩擦力属于滑动摩擦，根据摩擦介质的不同又可分为滑油拖移 和高分子材料拖移。采用滑油拖移，造价较低，但受天气，滑道压力等外界因素影响较 大，且易污染环境；高分子材料是近年来采用纳米技术的复合材料，摩擦系数小，可循 环使用，但市场造价较高，且需要专门放置保养。 2 3 轨道拖移方式介绍 这种滑道的结构型式与港口工程中高桩码头的门机轨道相似，不同的是轨道式滑道 的轨道为垂直于码头前沿线，而高桩码头门机轨道平行于码头前沿线，并且该种滑道需 要在滑道前沿设置地锚来提供水平拖曳力。轨道式滑道采用钢质滚轮滑车来实现力的扩 散和减小滑移阻力。在滑道上铺设钢轨，在钢轨上设黄滚轮滑车，每个滚轮滑车骑跨在 两条轨道上，平台组块或导管架支腿支撑在滑车上，荷载对桩基承台会产生较明显的拉、 压桩力【4 1 。 该种滑道的最大缺陷就是轨道位置固定，因而对不同尺寸平台组块的适应性不强， 有时承载能力会受到滑车滚轮强度的制约，而且滑道承受的水平力很大。另外滑车设计 要求的精度较高，制造成本也较高。 2 4 气囊拖移方式的介绍 船舶采用气囊上下水工艺在我国已经有3 0 多年的历史，实践证明它是一项低成本、 低消耗、低污染、高效率、高可靠性、机动灵活、具有我国自主知识产权的创新技术。 船舶采用气囊上下水工艺是上世纪8 0 年代初由我国发明并首先推广的新工艺。经过3 0 多年的实践和改进，目前已日趋成熟。 气囊上下水工艺的普遍推广，使所有应用厂家都获得了大小不同的经济效益。如果 建造固定滑道至少要上千万元投资，而采用气囊下水，只需要购置几十万的气囊，气囊 一8 一 大连理丁大学硕士学位论文 对地面要求也非常低，总体来说可节省大量资刽5 叫。通常，气囊对地面的压强相当于 一个人站立时对地面产生的压强，所以地面一般不需要强化处理，这样，就节省了大量 的地面加固处理资金。 2 4 1 气囊的介绍 气囊在外观上看就是一个充气的橡胶体，充气后为圆柱状，它的自由状态和受压后 截面图如图2 1 。长度、直径、爆破压力为气囊的使用参数。g b t3 7 9 5 1 9 9 6 船舶上 排、下水用气囊标准中规定的( 许允) 工作压力是根据爆破压力取4 5 倍的安全系数计 算出来的。可以看出它的安全裕度很高。气囊由囊体、囊咀和囊头三部分组成，囊体是 圆柱形部分，囊咀是装在气囊两端用于充气和放气的，囊头是囊体和囊咀的连接部分。 气囊还可分为低压气囊、中压气囊和高压气囊三种。按照气囊的直径一般分为0 8 、1 0 、 1 2 、1 5 、1 8 和2 0 六种，原材料橡胶的物理机械性能在标准中均有规定用。 ， 内压p l 7 图2 1 气囊压缩截面图 f i g 2 1 t h es e c t i o n so ft h ec o m p r e s s e da i r b a g 过去，船舶上排下水操作中通常采用中压气囊，每平方米的允许承载能力在1 0 吨 左右。而今，高压气囊的产生，使每平方米的允许承载力提高到2 2 吨左右甚至更高， 随着气囊承载力的大幅度提高，使大型船舶使用气囊进行起升，平移、下水操作成为可 能。 船舶采用气囊上下水，对滑道的要求不高，不需要进行特殊的土木建设，普通的泥 地、沙地、草地均可，只需稍加平整。这是气囊的优越性。相对于固定滑道、液压顶升 装置等工艺设备，使用气囊的投资相对小得多，而且适应性强，使用灵活。但对于大型 船舶来说，为了降低船舶上下水的风险，必须对气囊上下水滑道提出要求。鉴于气囊下 水与传统滑道下水的机理不同，气囊下水对滑道的要求与传统的下水滑道也大不相同。 如果在新厂的建设中，仍沿用传统下水滑道的要求去设计气囊下水滑道，必定事与愿违， 一9 一 超大型总段t 艺装备的研究 不仅浪费了大量投资，而且带来了安全隐患。所以气囊上排下水的滑道应该特殊考虑与 设计，以使其在投入最少的情况下，达到安全操作的效果。气囊上排下水船舶的尺度受 限于气囊的承载能力。下水重量除了与船型相关外，在船台上完成的预舾装工作量也是 一个决定性的因素，所以具有不确定性1 8 j 。 2 4 2 气囊的优缺点与使用前景 气囊的优点如下： ( 1 ) 不受限于固定的滑道，对地面要求不高，所以使用投资少，大大节省了滑道 等工装的生产费用。劳动条件好、操作简单。船舶采用气囊上、下水，不需要木材和黄 油，也不需要挖土填滑道，不必摆方木滑板，钢丝绳的消耗也很少，并能节省大量劳 动力，降低劳动强度。工作现场好准备、好清理，作业过程简单易行。 ( 2 ) 摩擦力属于滚动摩擦，不需要油脂等摩擦介质，所以不产生环境污染。气囊 造价不高，可以重复循环使用，绿色经济。 ( 3 ) 安全可靠、机动性能好用途广泛。由于气囊本身是个弹性体，船舶运行不会 剧烈振动，不会翻倒碰坏，通过卷扬机和钢丝绳有控制地移运，十分安全可靠。此外， 船底不擦地，船底油漆保持完好，延长了船舶的使用寿命。特殊需要时，可利用沙滩或 斜坡临时移动船舶上、下水。 此技术的弊端是没有明确工艺和规程。主要是靠经验操作，事故时有发生。由于气 囊承载能力有限，所以对大型船舶适用性有待进一步考察和验证。采用气囊下水的船舶 吨位愈来愈大，对应风险愈来愈高。尤其对于本文中要运输超大型总段，需要对其可行 性进行验证。 发达的工业国家推崇柔性生产技术，以适应多品、小批量产品的生产，提高市场应 变能力。因此，我们可以看到，气囊下水技术的高适应能力，可以当之无愧的被称作“柔 性下水技术”。 9 - 1 0 】 气囊的造价比较便宜，据调研，每只气囊只有1 0 万元左右。而要购买一套液压拖 移系统，需要上千万。气囊的柔性下水方式，不易产生应力集中，如果合适的应用到超 大型总段拖移上，会取得较好的效果。 2 5 液压顶升系统的介绍 液压顶升装置是日韩船厂为了移动超大型总段而专门设计的工艺装备。此装置移动 精确、安全可靠等优点，只是造价较高。目前国外较常用的液压顶升装置是a p s 系统。 它的组成部分如下图2 2 所示： 大连理工大学硕士学位论文 丰摔制器 “州叩 7r 7 ；被压缩空气| 液压单元 7 ，、7 l 模块组 推拉单元 图2 。2 液压顶升系统控制图 f i g 2 2 t h ec o n t r o lc h a r t so fh y d r a u l i cj a c k i n gs y s t e m 主控装置主控制器承担安全运输超大型总段的责任，其它辅助装置都被传感器监 测，然后回馈到控制器。桩腿模块由四部分组成，包括气垫、液压项升桩腿、气控阀和 特殊的活塞密封装置。通常氮气作为使用的压缩气体。这种装置的主控制器可以将最小 移动距离控制在毫米的数量级。超大型总段可以被自由的前移后者后退。a p s 系统工作 需要三组模块，总段在移动中不会存在应力集中。当降低气体压力时，刹车非常平滑。 a p s 的特性如下： ( 1 ) 摩擦系数低于0 0 1 ： ( 2 ) 移动速度较快，达到0 5m m i n ； ( 3 ) 较低的操作费用； ( 4 ) 在移动中可以快速定位； ( 5 ) 工作安全； ( 6 ) 在x 、y 、z 轴方向上都可以移动； ( 7 ) 组装和拆卸装备容易； ( 8 ) 移动位移可以精确到毫米的数量级。 a p s 的滑道需要特殊处理，如埋深钢筋混凝土滑块后，铺上钢板滑道。此系统造价 分两部分，一部分是地面处理造价，另一部分是液压顶升系统造价。目前，市场上一套 液压项升系统的价钱超过千万，所以总造价十分高，对于快速、经济的解决产能不足问 题，并不是一种十分理想的方法。 超大型总段工艺装备的研究 综上所述，滑道拖移和气囊拖移具有更好的前景，更适合我国船厂的发展，所以本 论文将对以上两种拖移方式进行详细的研究。 大连理工大学硕十学位论文 3 滑道拖移的总体规划及工艺装备的研究 3 1滑道拖移的总体规划 3 1 1 拖移总段模型介绍 本论文是以3 0 万吨级v l c c 为例，将其划分成四个超大型总段，用超大型总段造 船法进行建造。滑道、滑靴的设计是以其中的一个平行中体超大型总段为例进行设计及 分析。v l c c 的主尺度如表3 1 所示： 表3 1v l c c 的主尺度 t a b 3 1 t h em a i nd i m e n s i o n so fav l c c 参数名称( 单位)数据 总长( m ) 3 3 0 两柱间长( m ) 3 1 6 型宽( m ) 6 0 型深( m ) 2 9 7 设计吃水( m ) 1 9 2 结构吃水( m ) 2 1 5 载重吨( t )2 9 7 0 0 0 空船重量( t ) 4 3 0 0 0 用有限元软件a n s y s 对超大型总段( 平行中体总段段) 进行建模，得到模型图如 图3 1 所示。并可以计算出超大型总段的钢材重量为8 4 7 9 吨。 超大型总段t 艺装备的研究 酬31 超大犁总段有限元模型 3i t h e f i n i t ee l c m e n t m o d e lo fs u p e r b l o c k 3 12 拖移过程的受力分析 ( 1 ) 静惫载荷 空船重量、摩擦力、卷扬机的拉力被认为是拖移过程中的静态载荷。拖移滑道为两 条滑道。设计的滑道应该保证分配v l c c 的重量比较均匀，而且相对滑道和v l c c 底 部结构是面载荷。面载荷是通过滑道受到的压力和重力分部的平街来计算。滑道和滑靴 间的摩擦力通过超大型总段的重量和摩擦系数来求得【i “。 由于已经确定有滑道拖移超大型总段，所以相对应的可供选择的摩擦介质有滑油、 高分子材料两种。其中滑油的静摩擦系数通常在0 1 5 - 03 5 之间，采用滑油拖移，造价 比较低，但是受天气、气候、季节、温度、滑道压力等因素影响较大，且容易产生环境 污染：而高分子材料是近年来采用纳米技术设计的复合材料，它的摩擦系数较小，而且 比较环保，可循环使用，但造价较高，且需要专门放置、保养。在倡导绿色造船的前提 下综合以上分析，选用高分子复合材料作为摩擦介质。 ( 2 ) 动态载荷 环境力，例如m 力、波浪和水流影响驳船对拖移系统产生的动载荷。驳船移动和波 浪弯矩的评估对拖移系统的设计非常重要。在动载荷的作用下船体可能会发生压力集 中，这就需要对超大型总段进行船体建模，模拟拖移过程，分析船体的变形情况。在超 大型总段滑到驳船的过渡阶段里，虽危险的阶段就是驳船在垂向上有较大的上下浮动 大连理工大学硕士学位论文 时，超大型总段会产生应力集中，不管致使驳船上下移动的风力、波浪等怎么作用驳船， 我们可以简化成求船体在许用应力范围内允许驳船上下移动最大量的问题。这样，在实 际操作中，我们便有依据可循，这种方法有较好的实际操作性。 3 1 3 地面负荷的确定 确定地面负荷的主要依据是超大型总段的总重量，因此，精确的计算地面的负荷时， 应先计算出船舶单位长度的线负荷，再换算成滑靴上墩木的负荷。 对一个超大型总段建模后，求出钢板重量为5 7 8 0 t ，由a n s y s 求出。由计算得出t 型材的重量为2 6 9 9 t 。所以钢料总重8 4 7 9 t 。根据船体工艺手册【1 2 】表1 1 7 船体钢料与舾 装占空船重量的百分l t 大型油船船体舾装占空船重量的8 1 5 ，取船体舾装占空船重 量的1 0 可得，超大型总段船体舾装重量为1 0 7 5 t 。根据文献1 2 中表1 - 1 1 0 焊缝金属重 量的计算：大型海洋船舶焊缝金属重量占船体钢料重量的1 0 1 5 ，可得焊缝金属重量 为 8 4 7 9 t 0 0 1 5 = 1 2 ( 3 1 ) 根据文献1 2 中表1 - 1 1 1 全船涂料重量占船体重量的百分比可知，油船全船涂料重 量占船体重量的0 6 0 8 ，得到油船全船涂料重量为： 4 3 0 0 0 t 0 0 0 7 ；3 0 “ ( 3 2 ) 所以平均一个超大型总段涂料重量约为7 5 t 。船体入孔和减轻空等应该减去的重量 忽略，船体肘板等应该加入的重量忽略，忽略其它一些对计算结果影响较小的因素，最 终得到此超大型总段的总重量为： 缈1 = ( 8 4 7 9 + 1 0 7 5 + 1 2 8 + 7 5 ) t 一9 7 5 7 t ( 3 3 ) 所以，滑道所承受的总压力为： f = 暇ga 9 5 6 2 x 1 0 7 n ( 3 4 ) 设计在平行方向上滑道为两条，则每条滑道产生的压力为 e ；i f = 4 7 8 1 x 1 0 7 ( 3 5 ) 超大型总段t 艺装备的研究 滑道的宽度为1 6 m ，与超大型总段接触的滑道总长为8 4 m ，由此可计算出滑道的 总面积为 1 6 8 4 = 1 3 4 4 m 2 ( 3 6 ) 则滑道对地面产生的压强为 p ；冬；3 5 5 7 2 9 n ，1 2 ( 3 7 ) s 各种土木工程在使用年限内都要求地基稳定，要求地基不致因