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新型H3000鼓型橡胶护舷的研制
Edit: 太阳城娱乐手机版下载Date: 2019-07-12

摘要:介绍新型H3000鼓形橡胶护舷的研制。根据船舶靠泊修正因数、排水量、法向靠岸速度等计算靠岸有效撞击能量,确定橡胶护舷压缩变形、反力和吸能量。护舷胶料主体材料以天然橡胶为主,并用丁苯橡胶、顺丁橡胶或三元乙丙橡胶,硫黄硫化体系采用后效性促进剂CZ和防焦剂CTP,补强剂以高耐磨炭黑或中超耐磨炭黑等硬质炭黑为主,并用通用炭黑。护舷采用定制单体夹壁罐硫化。成品护舷的反力-变形性能和吸能量等达到设计要求。随着我国综合国力的不断增长,经济高速发展,特别是海运物流的快速发展,大型船舶的吨位不断增大,对港口、码头的靠泊安全性要求日渐提高。鼓型橡胶护舷具有弹性好、吸能量大、维护方便、使用寿命长和便于大批量生产等特点,是近年来针对大型船舶开发的护舷新品种,在国外被广泛应用。应某大型港口靠泊特种船舶的要求,沈阳化工大学联合橡胶护舷生产企业共同承担了H3000鼓型橡胶护舷的产学研项目。通过详细的现场考核,根据港口具体情况及靠泊船舶的吨位、航速、水流速度和涌浪高度等多种数据,并综合考虑其他影响因素,研制了新型H3000鼓型橡胶护舷,用在船舶靠泊时减缓冲击,保护码头和船舶免受冲撞。

1  设计要求和相关计算

1. 1  设计要求

针对港口方的实际情况及设计要求,按交通运输部颁布的《港口工程荷载规范》计算船舶靠岸的有效撞击能量,再根据撞击能量选择合适的护舷设施。所选用的橡胶护舷在设计压缩变形时的吸能量应大于船舶的有效撞击能量,而护舷反力应小于靠船建筑物的允许反力,护舷面压力应小于船舶傍板的容许面压力。根据实际情况并参考英国标准(安全性指标高),本工作对传统鼓型橡

胶护舷设计思路进行创新,提出在现有鼓型护舷的基础上设计防冲板加盖尼龙贴面板,以承受护舷被压缩时所产生的反力,分散护舷对船体的作用力,船舶在有掩护法向靠岸速度为0.10~0.12 m·s -1 、无掩护法向靠岸速度为0.12~0.25 m·s -1 时,反力

与吸能量、反力与面压力均达到设计要求。

1. 2  船舶靠岸有效撞击能量计算

船舶靠岸时的有效撞击能量计算方法不尽相同,一般按式(1)计算。

E=1/2Cm 1 V 2 (1)

式中,E为船舶有效撞击能量,kJ;C为靠泊修正因数,C = C 1 ·C 2 ·C 3 ,其中C 1 为附加水体质量影响因数,C 2 为船舶靠岸点偏心影响因数,C 3 为靠船建筑物影响因数;m 1 为船舶排水量,t;V为船舶法向靠岸速度,m·s -1 。

1. 2. 1  附加水体质量影响因数C 1

大型船舶在水中航行时,船体周围的水体(称附加水体)在船舶的带动下随之运动,当船舶停靠码头时,船体周围的水体也随着船舶运动并通过船舶对码头产生撞击能量,这部分水体的质量称为附加水体质量,C 1 就是附加水体质量影响因数,

一般按式(2)计算:

C 1 =1+m 2 /m 1 =1+∏D 2 LP w /4m 1 (2)

式中,m 2 为附加水体质量,t;D为船舶吃水,m;L为船的长度,m;P w 为海水密度,P w =1.025×10 3 kg·m -3 。对于一般货船C 1 =1.59,对于矿石船C 1 =

1.31~1.54,对于油轮C 1 =1.35~1.67,但对于栈桥式、墩式等透空式码头,可以不考虑附加水体影响,

C 1 =1.00。本设计中码头为重力式,C 1 =1.59。

1. 2. 2  船舶靠岸点偏心影响因数C 2

船舶斜向靠岸时,一般船舶纵轴线与码头前沿线夹角θ小于10 ° (如图1所示),视靠泊时的实际情况,有船首靠泊和船尾靠泊。由于受力点位置与船舶重心往往不吻合,船舶靠泊时产生回转或横摇,也可减小部分船舶撞击能量,消散能量可用C2 表征。在一般情况下只考虑船舶平面回转所消散的能量,并按式(3)计算C 2 。

C 2 =r 2 /(r 2 +l 2 ) (3)

式中,r为船舶在水平面上绕重心轴的回转半径,一般r=0. 25L;l为船舶重心到船舶靠岸点距离在码头方向的投影(如图1所示)。

本设计中综合考虑船舶的吨位和长度,船舶靠岸点可选1/4,C 2 =0. 5。

1. 2. 3  靠船建筑物影响因数C 3

栈桥码头和柔性靠船墩等靠船建筑物在船舶撞击力(等于护舷反力)的作用下产生弹性形变,吸收一部分船舶撞击能量,此时C 3 <1. 0,本设计是针对刚度较大的重力式码头,可不考虑其变形的吸能影响,C 3 =1. 0。

1. 2. 4  船舶排水量m 1

船舶吨位一般用总质量、载质量、排水量等表示,三者间的关系如表1所示。

1. 2. 5  船舶法向靠岸速度V

大型船舶的靠岸主要靠拖轮。随着船舶逐步靠近码头,拖轮逐步停止推进,依靠本身惯性靠泊,虽然本身速度很小,但由于大型船舶本身吨位大,其撞击能量与船舶质量和V成平方关系。因此,虽然V很小,但是仍要控制。通过现场勘查以及听取业主及设计部门的意见,调阅当地水文资料、船舶设计参数,参考海军对水面舰艇靠泊的相关规定后,建议大型船舶配备4~5艘拖轮协助靠泊,选择操作灵活,顶、拖性能好的拖轮拖拽。在此条件下,船舶的V如表2所示。

1. 2. 6  靠泊修正因数C和安全因数

根据护舷选型和设计经验及国内外资料确定C和安全因数。C是护舷选型时从护舷本身考虑的因数,安全因数需考虑船舶正常靠泊以外的其他不利因素。本研究确定的C没有考虑护舷材料制作工艺和物理性能的差异。与安全因数相关的因素包括:码头泊位区域的风、流、浪等自然条件的骤然变化,多艘拖轮协助靠泊时由于通信和意图领会不当出现的不协调,船舶驾驶人员的操作失

误等。

2  选型依据

通过上述数据模拟计算,为满足船舶的有效撞击能量,本研究决定制备外包尼龙面板的H3000鼓型橡胶护舷。H3000型鼓型橡胶护舷的结构如图2所示。

2. 1  压缩变形

在反力不增大的情况下,H3000鼓型橡胶护舷设计压缩变形大,比V型橡胶护舷的压缩变形提高18%,比太阳城赌场提高10%,从而使护舷吸能量大幅度增大。H3000鼓型橡胶护舷设计压缩变形为47. 5%,最大压缩变形为50%,公差为10%。

2. 2  安装间距

H3000鼓型橡胶护舷被压缩时,其本体的外径将膨胀变大,所以护舷在安装时要保持适当的间距,以保证不互相碰撞。H2000~H3000鼓型橡胶护舷安装间距控制在2880~4500 mm。

2. 3反力和吸能量

通过实体成品性能测试得到,H3000鼓型橡胶护舷设计反力为5800kN,最大反力为6750kN,设计吸能量为6700 kN,最大吸能量为7 200 kN。H3000鼓型橡胶护舷成品侧向剪切力小,吸能量大、反力小,更换方便,适用于船舶、码头、船坞等,应用广泛并利于平时调换。

2. 4  摩擦因数

船舶前部设置防冲板和尼龙贴面板,可减小面压力,并使防冲板与船板的摩擦因数减小,从而使大型船舶的靠泊剪切力大大减小。当船舶傍板不平整时,在靠泊中常常造成橡胶护舷防冲板变形损坏。H3000鼓型橡胶护舷增加尼龙贴面板就是为了减小摩擦因数和靠泊剪切力,从而避免护舷防冲板变形损坏。

3  配方设计

橡胶护舷的基本要求是吸能量大、反力小,对船体的面压小。这些要求与护舷的总体结构及橡胶缓冲件的形状构造有关,也与胶料的性能有关,所以控制胶料的硬度很重要。一般来说,胶料硬度越高,反力和面压力越大,吸能量也大。橡胶护舷胶料的邵尔A型硬度控制在58~82度范围内。由于橡胶护舷在受冲撞时,依靠变形来吸收能量,而过大的反力和面压力对船舶靠泊不利。因此,橡胶护舷要获得最佳的使用性能,仅考虑胶料的硬度是远远不够的。通过实地测量,船舶靠泊时,整个橡胶护舷受力是不均匀的,橡胶护舷既被压缩、弯曲,又要承受剪切、扭转、摩擦等作用,因此应有足够的强度和弹性,并需要耐老化和耐海水侵蚀。鼓型橡胶护舷胶料的含胶率约为50%,以使橡胶护舷具有低压缩变形和足够的弹性。

3. 1  主体材料

胶料主体材料以进口或国产天然橡胶为主,并用丁苯橡胶、顺丁橡胶或三元乙丙橡胶,以平衡胶料耐磨、耐寒、弹性等性能,并降低成本。

3. 2  硫化体系

H3000鼓型橡胶护舷是厚壁制品,要求胶料硫化曲线平坦,因此胶料硫化体系中加入后效性次磺酰胺类促进剂CZ。为了提高胶料在模具内的流动性,控制胶料的早期硫化倾向,胶料硫化体系中加入适量防焦剂CTP,以达到抗焦烧的目的。

3. 3  补强体系

为提高橡胶护舷的硬度、抗撕裂性能,保持弹性,胶料补强体系以高耐磨炭黑或中超耐磨炭黑等硬质炭黑为主,并用通用炭黑来平衡胶料综合性能。

3. 4  防护体系

橡胶护舷长期受天候老化、海水侵蚀等作用,因此胶料中防护体系不可缺少。可选用的防老剂有防老剂A,D,RD等;为了提高耐紫外线性能,添加防老剂4010NA和1~4份石蜡。石蜡会不断向表面迁移,喷出后在橡胶护舷表面形成老化防护膜。