滑道式救助艇收放裝置液壓系統(tǒng)設計與分析

(武漢理工大學 物流工程學院，武漢 430063)

滑道式救助艇收放裝置一般采用液壓驅(qū)動，并以船電為動力實現(xiàn)救助艇的正常收放[1]。如母船失去電力供應，救助艇收放裝置將無法工作。為了保證母船因故障或遇險等極端情況下均能對救助艇實施手動降放，以使船員緊急撤離，文獻[2]規(guī)定，當救助艇準備齊全，且處于滿載或輕載狀態(tài)時，施放該艇的收放裝置不得依靠除重力或不依賴船舶動力的任何儲存機械動力以外的任何方式；且要求救助艇施放裝置持續(xù)處于準備使用狀態(tài)，在不超過5 min的時間范圍內(nèi)即可降落。為此，有必要研制既能依靠船電供應實施救助艇正常收放，又能在母船失電時以儲存的液壓能為動力實現(xiàn)救助艇手動施放的收放裝置液壓系統(tǒng)。

1 救助艇收放裝置的組成

救助艇收放裝置設在母船的艉部，可供一艘救助艇在母船航行或停泊時實現(xiàn)縱向收放[3]，見圖1。當施放救助艇時，乘員先在艇內(nèi)就位，去掉固定艇的鋼纜后，通過艉門液壓缸4打開艉門開關1，使艉門6下放，然后使脫鉤裝置5快速脫開，救助艇靠重力快速自動下滑到水面。必要時，也可用液壓馬達13通過絞車使救助艇緩慢降放。

回收救助艇時，先通過艉門液壓缸4使艉門6下放，救助艇以高于母艇的航速沖進滑道，由滑道前方的液壓馬達13通過絞車用鋼纜將救助艇拉離水面，收到要求的位置后，快速脫鉤掛住小艇，最后通過艉門液壓缸使艉門收回。

1-艉門開關；2-液壓系統(tǒng)；3-收放滑道；4-艉門液壓缸；5-脫鉤裝置；6-艉門；7-艏部托座；8-固定繩；9-標志桿；10-強光方位燈；11-收放系統(tǒng)操縱臺；12-艉門鉸鏈；13-液壓馬達

圖1船載小艇收放裝置的結(jié)構(gòu)

2 救助艇收放裝置液壓系統(tǒng)設計

救助艇收放裝置液壓系統(tǒng)具有以船電為動力的正常收放和母船失電后的手動施放兩種功能，其液壓原理見圖2。

2.1 以船電為動力的正常收放

當母船處于完備狀態(tài)，液壓系統(tǒng)以船電為動力實施小艇正常收放時，先關斷高壓球閥9和21，再啟動液壓泵2，將液壓泵的設定壓力調(diào)定為18 MPa，電磁溢流閥4的設定壓力調(diào)定為21 MPa。液壓泵一方面向手動比例換向閥11和12的進油口供油，另一方面通過單向閥8向蓄能器6供油，使蓄能器儲存一定的液壓能源，以便母船失電后實現(xiàn)救助艇的手動施放。

操作手動比例換向閥12，使其處于右位工況，壓力油經(jīng)平衡閥22進入2臺艉門液壓缸18的無桿腔，活塞桿伸出，使艉門下放。當艉門下放至所要求的位置時，再使手動比例換向閥12處于中位，艉門液壓缸在平衡閥22的作用下保持在下放位置不變。操作手動比例換向閥11，使其處于左位工況，壓力油經(jīng)梭閥13使制動器17打開，并使液壓馬達16旋轉(zhuǎn)，使救助艇下放。平衡閥14能在液壓馬達16的回油路上產(chǎn)生背壓，使救助艇降放速度平穩(wěn)。當救助艇下放至水面后，再使手動比例換向閥11處于中位。

1-油箱； 2-液壓泵；3、8、20-單向閥；4-電磁溢流閥；5-回油過濾器；6-蓄能器；7-安全閥組；9、21-高壓球閥；10、19-調(diào)速閥；11、12-手動比例換向閥；13-梭閥；14、22-平衡閥；15-緩沖閥；16-液壓馬達；17-制動器；18-艉門液壓缸

圖2船載小艇收放裝置液壓系統(tǒng)原理示意

當收回小艇時，艉門處于下放的位置。小艇沖進艉滑道后，將小艇系上鋼纜，使手動比例換向閥11處于右位工況，液壓馬達16通過絞車將救助艇收回。救助艇收回到位后，再使手動比例換向閥11處于中位，制動器17對液壓馬達制動。然后使手動比例換向閥12處于左位工況，艉門液壓缸有桿腔進油，使艉門收回。

2.2 母船失電后的手動施放

如母船因故障或遇險等原因失去動力，小艇可依靠蓄能器中儲存的液壓能實現(xiàn)手動施放。圖2中單向閥8為錐面密封，幾乎無內(nèi)泄，當小艇正常施放時，液壓泵充入蓄能器6中的壓力油能保持相當長的時間；并且液壓泵每次啟動都能向蓄能器自動充油，以補償單向閥8等元件的內(nèi)泄漏。

手動施放時，先打開高壓球閥9和21，蓄能器排出的壓力油經(jīng)調(diào)速閥10進入艉門液壓缸18的無桿腔；艉門液壓缸18有桿腔的回油經(jīng)調(diào)速閥19、單向閥20和高壓球閥21又回流至無桿腔，從而實現(xiàn)艉門液壓缸的差動連接，活塞桿伸出，艉門下放。當艉門下放至所要求的位置時，再關斷高壓球閥9和21，艉門液壓缸18在平衡閥22的作用下保持在下放的位置不變。打開救助艇上的脫鉤裝置，救助艇在重力作用沿滑道下滑至水面上，從而實現(xiàn)了小艇在母船失電后的手動施放。調(diào)節(jié)調(diào)速閥19的通流面積，可調(diào)整艉門的降放速度。

2.3 液壓系統(tǒng)的設計特點

為了使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便，在設計時選用三聯(lián)多路手動比例換向閥實現(xiàn)艉門鎖液壓缸、艉門液壓缸以及液壓馬達的方向控制和速度調(diào)節(jié)。

1)在艉門液壓缸的進回液路上設置了平衡閥，該閥的作用是在艉門收放時的回油路上產(chǎn)生背壓，使艉門收放平穩(wěn)，不受重力和浪涌的影響。此外，在施放救助艇時，液壓馬達的回油路上所設置的平衡閥也能起到平衡重力的作用，使救助艇降放平穩(wěn)。

2)母船失電后的手動施放采用蓄能器為動力。由于每次以船電為動力對救助艇實施正常收放時，均能對蓄能器進行自動補油，而且蓄能器排油口處單向閥等元件的密封性好，因此，蓄能器能在相當長時間范圍內(nèi)保持手動實施所需的儲存液壓能，滿足文獻[2]的規(guī)定要求。

3)在手動施放時，將艉門液壓缸設計成差動連接，能使蓄能器的總?cè)莘e小，重量輕，減少母船的載重量。在艉門施放時艉門液壓缸回油路上設置節(jié)流閥和單向閥，一方面能在回油路上產(chǎn)生背壓，使艉門開啟平穩(wěn)，并不受浪涌的影響；另一方面能通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥，調(diào)整艉門的開啟速度。

3 手動施放液壓回路性能分析

圖1中艉門重量約為3 500 kg，艉門液壓缸缸徑D1=120 mm，活塞桿直徑d1=85 mm，最大行程S1m=1 800 mm。圖2中液壓系統(tǒng)的設定壓力為18 MPa，最大輸出流量為22 L/min。在以船電為動力使小艇正常收放時，艉門液壓缸為非差動連接，其有效面積較大；并且系統(tǒng)有足夠的輸出壓力和流量使艉門液壓缸及液壓馬達驅(qū)動其負載，使救助艇施放與回收時間滿足要求。而在救助艇手動施放時，艉門液壓缸為差動連接，蓄能器的總?cè)萘考捌涑錃鈮毫Α⒏髁髁块y調(diào)節(jié)流量的設定均對艉門開啟狀態(tài)及開啟時間有直接影響。因此，有必要對艉門開啟時的負載特性及手動施放液壓回路的性能進行分析。

3.1 艉門開啟時的負載特性

艉門在開啟過程中，艉門液壓缸受艉門重力F1、兩艉門液壓缸及艉門開關摩擦力F2的作用，經(jīng)實測，F(xiàn)1及F2與艉門旋轉(zhuǎn)角度α及艉門液壓缸行程S1的關系曲線見圖3。

由圖3可見，當艉門的旋轉(zhuǎn)角度α小于15°(對應艉門液壓缸的行程S1=300 mm)時，艉門重力對艉門液壓缸的作用力F1為正值，即表示艉門液壓缸所受艉門重力的作用為阻力負載(作用力的方向與艉門液壓缸運動方向相反)；當艉門的旋轉(zhuǎn)角度α為15°時，F(xiàn)1=0，艉門的重心正好位于圖1艉門鉸鏈的垂線上；當艉門的旋轉(zhuǎn)角度α大于15°時，艉門重力對艉門液壓缸的作用力F1為負值，即表示艉門液壓缸所受艉門重力的作用為超越負載(作用力的方向與艉門液壓缸運動方向相同)；當艉門的旋轉(zhuǎn)角度α為90°時，即表示艉門已開啟到所要求的位置(對應艉門液壓缸的最大行程S1m=1 800 mm)。艉門液壓缸及艉門開關的摩擦力F2隨著艉門開啟角度α或艉門液壓缸行程S1的增加而增大。

由圖3可得出艉門在開啟過程中，艉門液壓缸所受的總負載力F為

F=F1+F2

(1)

艉門液壓缸所受總負載力F與艉門旋轉(zhuǎn)角度α及艉門液壓缸行程S1的關系如圖3所示。

圖3 艉門開啟時的負載特性

3.2 蓄能器總?cè)萘康挠嬎?/h3>

1)采用差動聯(lián)接時，2臺艉門液壓缸所需的油液容積ΔV1為

(2)

式中：n1——艉門液壓缸的數(shù)量，n1=2。

2)蓄能器有效排液量ΔV′為

ΔV′=k1ΔV1=19.9 L

(3)

式中：k1——考慮液壓缸、管路及管路上的各閥件泄漏時的系數(shù)，取k1=1.1。

3)將蓄能器的最低、最高工作壓力pL、pH分別設定為5和18 MPa。蓄能器的充氣壓力為

p0=k2pL=4.5 MPa

(4)

式中：k2——系數(shù)，取k2=0.9。

蓄能器的總?cè)莘e按下式計算[4]。

(5)

式中：n——氣體多變指數(shù)，一般n=1.0～1.4，

取n=1.25[5]。

可選擇總?cè)莘e為V0=40 L的皮囊式蓄能器，該蓄能器所排出油液的有效容積ΔV為

(6)

3.3 液壓回路性能分析

為了更方便地分析手動施放液壓回路的性能，可將圖1中涉及手動施放的液壓元件及油路進行簡化，簡化后的液壓原理見圖4。

1-蓄能器；2、6-調(diào)速閥；3-平衡閥；4-高壓球閥；5-單向閥；7、8-艉門液壓缸

圖4手動施放液壓回路簡化原理

1)流量閥的設定流量及艉門開啟時間。由于救助艇在施放過程中，約需要不超過3 min的時間作小艇脫鉤及人員準備等工作。為了使小艇施放時間不超過5 min，可將艉門開啟時間t1定為2 min。圖4中調(diào)速閥6的設定流量q3為

(7)

由于調(diào)速閥具有壓力補償功能，當其設定流量調(diào)定后，通過該閥的流量基本不受負載變化的影響。因此，可認為在艉門開啟過程中流量q3不變，艉門開啟時間t1=2 min。

2)艉門液壓缸的運動速度。艉門液壓缸活塞桿運動速度υ1按下式計算。

(8)

3)艉門液壓缸無桿腔及有桿腔的油壓。當圖4中調(diào)速閥5的設定流量q3=9.04 L/min時，其壓力損失Δp3≈2.5 MPa；單向閥5的壓力損失Δp2=0.05 MPa。由圖4可寫出液壓缸活塞及活塞桿的受力平衡方程為

(9)

式中：p2、p3——艉門液壓缸無、有桿腔的油壓，

p2=p1-Δp1，p3=p2+Δp2+Δp3。

由式(9)及圖3，可得艉門液壓缸無、有桿腔的油壓p2、p3與行程S1的關系，見圖5。

圖5 艉門液壓缸無桿腔及有桿腔的油壓與行程的關系

由圖5可見，當艉門開啟時，艉門液壓缸無桿腔及有桿腔的油壓隨其開啟角度或艉門液壓缸的行程變化而變化；艉門液壓缸有桿腔的油壓高于無桿腔的油壓，其最大值為5.5 MPa，遠低于艉門液壓缸的額定工作壓力。

4 結(jié)論

1)艉門手動施放裝置液壓系統(tǒng)采用蓄能器組作能源，在母船具有動力，救助艇每次正常收放過程中，均能向蓄能器組供液，以補償蓄能器組的泄漏。由于手動施放裝置液壓系統(tǒng)中的單向閥、高壓球閥和蓄能器安全閥組幾乎無泄漏，因此，當收放裝置每工作一次，蓄能器內(nèi)壓力油的容量及壓力均能保持極長的時間，使救助艇手動施放裝置持續(xù)處于準備使用狀態(tài)。

2)艉門手動施放裝置工作過程中，艉門液壓缸的工作壓力均不超過其額定工作壓力，能保證了艉門液壓缸的使用壽命。

3)艉門手動施放速度由調(diào)速閥調(diào)節(jié)。調(diào)速閥的壓力補償及流量可調(diào)節(jié)作用使艉門的施放速度不受負載的影響，速度穩(wěn)定，可調(diào)節(jié)范圍寬。

4)在艉門施放過程中，兩艉門液壓缸采用差動聯(lián)接，且一直由蓄能器供給壓力油，因此，兩艉門液壓缸產(chǎn)生的推力足以克服海水對艉門產(chǎn)生的浮力或浪涌對艉門產(chǎn)生的反推力，能保證艉門順利施放，不會出現(xiàn)停滯和上抬等現(xiàn)象。

5)艉門手動施放裝置液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可靠性高，使用壽命長，能滿足救助艇安全快捷的施放和回收功能。

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