研制船用單臂回轉(zhuǎn)型小艇收放裝置的關(guān)鍵技術(shù)

王東濤

（海軍駐滬東中華造船集團有限公司軍事代表室 上海200129）

研制船用單臂回轉(zhuǎn)型小艇收放裝置的關(guān)鍵技術(shù)

王東濤

（海軍駐滬東中華造船集團有限公司軍事代表室 上海200129）

由于傳統(tǒng)的小艇收放裝置性能不能滿足高海況下安全收放的需要，使得安全事故頻發(fā)，所以國際救生設(shè)備規(guī)則修正案提出了新的要求。根據(jù)這些最新要求，采用船舶運動補償?shù)燃夹g(shù)，設(shè)計相應(yīng)的輔助機構(gòu)，使某型單臂回轉(zhuǎn)型小艇收放裝置具有減擺、波浪補償、減震緩沖等功能，可以保證在四級海況下安全、可靠、快速進行小艇的釋放和回收操作。

收放裝置；單臂回轉(zhuǎn)；波浪補償；減擺

引 言

在世界范圍內(nèi)，各國對海上安全救助問題越來越重視，小艇收放裝置的性能逐漸引起海事部門和軍事部門的關(guān)注［1-2］。傳統(tǒng)的收放裝置操作繁雜、安全性和可靠性不高等問題已經(jīng)越來越突出，由于性能問題導(dǎo)致的安全事故頻發(fā)，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前安全救助和軍事的需要。特別在高海況下，收放裝置的性能和安全性、可靠性要求明顯高于傳統(tǒng)的吊艇架；所以最新的國際救生設(shè)備規(guī)則修正案對小艇收放裝置提出了最新要求［3-4］：

（1）在縱傾10°及橫傾至任一舷20°時的所有條件下能安全降放；

（2）收放裝置的絞車應(yīng)安裝一個自動高速張緊裝置，用以預(yù)防小艇在收放操作時所有海況下的鋼索松弛；

（3）收放裝置應(yīng)安裝一個能在小艇收放過程中降低波浪造成沖擊力的設(shè)備，該設(shè)備應(yīng)包括減弱沖擊力的柔性構(gòu)件以及最低限度減低搖擺的阻尼構(gòu)件；

（4）絞車制動器應(yīng)有一個逐漸制動動作。從這些要求中可以看出，設(shè)計新型收放裝置時，必須充分考慮環(huán)境限制和人為因素，采用船舶運動補償裝置來保障高海況下安全、可靠地收放小艇［5］。

本文研究的單臂回轉(zhuǎn)型收放裝置采用單點L型單臂回轉(zhuǎn)設(shè)計方案，利用船舶運動補償技術(shù)設(shè)計相應(yīng)的輔助機構(gòu)，使該收放裝置具有減擺、波浪補償、減震緩沖等功能，可以保證在高海況下安全、可靠、快速進行小艇的釋放和回收操作。

1 設(shè)計方案

1.1 功 能

該收放裝置采用L型單臂回轉(zhuǎn)設(shè)計方案，通過基座旋轉(zhuǎn)液壓缸的運動將吊臂旋轉(zhuǎn)至舷外，同時在減擺錐罩上設(shè)置小艇旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，可保證小艇首尾線在回轉(zhuǎn)機構(gòu)回轉(zhuǎn)過程中自動與母船保持平行。單臂回轉(zhuǎn)型收放裝置具有減擺、波浪補償和減震緩沖的功能，能夠在不高于4級海況下母船停泊或低速（≤10 kn）直線航行時安全、可靠、快速進行小艇的釋放和回收操作［6］。

1.2 組 成

該收放裝置主要由機械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及電氣操縱控制系統(tǒng)三部分組成，采用電氣液壓驅(qū)動，利用電氣操縱系統(tǒng)控制小艇的起升、下放、回轉(zhuǎn)機構(gòu)的回轉(zhuǎn)及其他相應(yīng)的動作，組成如圖1所示。

圖1 單臂回轉(zhuǎn)型收放裝置

1.2.1 機械結(jié)構(gòu)部分

收放裝置的機械部分是收放裝置的受力部分，主要由回轉(zhuǎn)機構(gòu)、L型吊臂、吊臂頭、波浪補償絞車、減震裝置、快速脫鉤裝置及吊環(huán)等元部件組成。

（1） 回轉(zhuǎn)機構(gòu)

回轉(zhuǎn)機構(gòu)用于把小艇旋出舷外，通過回轉(zhuǎn)液壓缸旋轉(zhuǎn)基座，將基座上的吊臂旋轉(zhuǎn)出舷外進行小艇的收放操作。回轉(zhuǎn)液壓缸采用帶有機械鎖緊功能的液壓缸，用于在回轉(zhuǎn)機構(gòu)停止旋轉(zhuǎn)后鎖緊基座，有效防止基座隨母船的晃動。

（2） L型吊臂

L型吊臂是收放裝置的主要受力部件，用以承受小艇載荷，其底部通過高強度連接螺栓與波浪補償絞車頂部連接。

（3） 波浪補償絞車

波浪補償絞車安裝在基座中心處，底部與回轉(zhuǎn)機構(gòu)焊接，頂部與L型吊臂通過高強度連接螺栓連接，主要由液壓馬達(dá)及減速器、齒輪箱體、齒輪、輪轂及檢測傳感器等組成，通過液壓馬達(dá)帶動減速器驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動輪轂旋轉(zhuǎn)，用于降放和提升小艇。

該波浪補償絞車有兩種使用工況：高扭矩低轉(zhuǎn)速（正常工作模式）和小扭矩高轉(zhuǎn)速（波浪補償模式），通過液壓馬達(dá)的排量控制機構(gòu)實現(xiàn)兩種工況的切換。正常工作模式具有高扭矩低轉(zhuǎn)速特性，用于小艇的正常起升和下降；波浪補償模式具有恒定低轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速特性，用于小艇在海面上的波浪補償。該波浪補償絞車的波浪補償力和波浪補償速度可調(diào)，對于此型小艇和工作海況要求，波浪補償力的設(shè)置約為5 000 N，波浪補償速度最大值約為100 m/min，可根據(jù)波浪情況的需要自動進行調(diào)整。

（4） 吊臂頭

吊臂頭是安裝在吊臂前部的機械結(jié)構(gòu)體，通過銷軸與吊臂相連，其主要作用是減小小艇的搖擺和保證小艇的艏艉線與母船平行。

吊臂頭上的正交鉸軸在母船的橫傾和縱傾方向形成雙平面運動鉸軸，允許在橫傾和縱傾相互垂制。為了提高液壓系統(tǒng)的操控性能、減小閥塊的體積和質(zhì)量，電比例控制采用進口的比例多路閥，實現(xiàn)小艇收放、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、減擺吊頭同步旋轉(zhuǎn)速度的電比例控制，其他各類液壓閥件都采用進口螺紋插裝閥和進口的比例閥組。

（3） 管路

液壓管路采用不銹鋼鋼管，提高了系統(tǒng)防腐防銹能力；管接頭采用進口卡套式管接頭，使管路的布置更美觀、整齊。

1.2.3 電氣操縱控制系統(tǒng)

電氣操縱控制系統(tǒng)用于實現(xiàn)收放裝置的各類操縱控制，信息顯示及安全保護，主要由控制操縱箱、便攜式按鈕盒、啟動器、接線盒及相應(yīng)的傳感檢測元件等組成。

控制操縱箱配有高性能PLC，是收放裝置電氣控制系統(tǒng)的核心，用于收放裝置的各類操縱控制、狀態(tài)指示和故障報警。啟動器主要用于對液壓控制裝置電機的控制，同時提供控制操縱箱的工作電源和小艇的蓄電池充電電源。啟動器設(shè)有監(jiān)控指示和操縱按鈕，還具有缺相保護、熱過載保護等功能。

便攜式按鈕盒為收放裝置正常操作部位，采用背負(fù)式，方便雙手操作；同時在操作過程中可隨時跟隨小艇移動，使操作者具有良好的視野，可全程觀測操作情況，保證操作安全性。

2 關(guān)鍵技術(shù)和特點

直的平面內(nèi)做回轉(zhuǎn)運動。只有當(dāng)小艇與減擺罩剛性連接后，小艇隨母船的橫搖和縱搖才會通過減擺罩傳遞到正交的鉸軸上；安裝在正交鉸軸平面內(nèi)的橫搖、縱搖減擺系統(tǒng)通過阻尼作用達(dá)到減小小艇的橫搖和縱搖。

吊臂頭上的同步旋轉(zhuǎn)機構(gòu)是由齒輪齒條缸帶動錐齒輪旋轉(zhuǎn)，通過減擺罩上的齒條旋轉(zhuǎn)減擺罩，從而使小艇的首尾線與母船平行。

（5） 快速脫鉤裝置

該型脫鉤裝置由安裝在小艇上的錐形座和吊環(huán)組成。錐形座與吊臂頭上的減擺罩相配合，在提升的過程中自動對中；提升到位后，通過錐形座-錐罩的配合，使小艇與吊臂頭近似形成剛性連接。錐形座上設(shè)有安全銷，吊環(huán)末端與鋼索一體式澆鑄，可有效防止脫扣，提高了安全性。

（6） 減震裝置

減震裝置通過機械減震的方法達(dá)到減小提升、降放小艇過程中鋼索中張力波動的目的。減震油缸內(nèi)裝有碟簧，當(dāng)鋼索中的拉力大于碟簧的彈簧力時，通過滑輪會拉出活塞桿壓縮碟簧，當(dāng)鋼索拉力變小時，碟簧會自動復(fù)位，從而達(dá)到張緊鋼索的目的。

1.2.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是收放裝置的動力源，提供小艇收放、回轉(zhuǎn)機構(gòu)回轉(zhuǎn)等操作所需的高壓油，液壓系統(tǒng)主要包括液壓控制裝置、控制閥組及相應(yīng)的連接管路。

（1） 液壓控制裝置

液壓控制裝置為收放裝置的操作提供所需用的液壓高壓油，在正常工作狀態(tài)下，由電機帶動液壓泵旋轉(zhuǎn)提供操作所需的液壓動力；在應(yīng)急狀態(tài)下通過蓄能器提供應(yīng)急操作時所需的液壓油，當(dāng)蓄能器的油液不足時，通過手搖泵向蓄能器中補充油液，也可以通過手搖泵直接供給應(yīng)急操作回路。液壓控制裝置上還裝有傳感器，用于狀態(tài)信息的報警。

（2） 閥塊、閥組和管路

閥塊和閥組為收放裝置的液壓控制部分，實現(xiàn)小艇收放、回轉(zhuǎn)機構(gòu)的電比例控制和其他的換向控

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

本收放裝置主要采用以下關(guān)鍵技術(shù)來保證高海況下的安全收放。

2.1.1 減擺控制技術(shù)

通過將吊臂頭和小艇直接絞接連接，使小艇和吊臂近似剛性連接。在船舶的六自由度運動中，橫搖和縱搖的運動對收放過程影響最大，因此采用兩組減擺裝置分別來補償船舶橫搖和縱搖帶來的小艇搖晃。

2.1.2 波浪補償技術(shù)［7］

在高海況下，當(dāng)小艇放至水面處、仍然保持掛鉤的狀態(tài)時，小艇在海洋中隨波逐流、大幅度搖蕩（特別是升沉），為正常收放操作帶來了極大難度，危險系數(shù)高。為了降低這種危險，必須時刻保持鋼索張緊的狀態(tài)，減小艇體的搖晃；同時，應(yīng)隨時為小艇的提升做好準(zhǔn)備。波浪補償裝置采用絞車給小艇提供一個恒張力常值，用于補償小艇在水平面的運動引起的搖蕩，并且保障在小艇升沉運動過程中，鋼索始終能保持張緊狀態(tài)，從而避免了鋼索松弛-張緊狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，提高了小艇脫鉤操作的安全系數(shù)。

2.1.3 減震緩沖技術(shù)

為了減小艇體起升、降放過程中由于小艇鐘擺運動在鋼索中所產(chǎn)生的張力波動，因此采用減震緩沖裝置，通過機械彈簧或液壓的緩沖作用減小鋼索中的張力波動。

2.1.4 新穎的快速脫鉤技術(shù)

為了滿足高海況下安全收放的要求，快速脫鉤裝置采用錐座-錐罩配合的新式方案，通過吊鉤-吊環(huán)的連接方式可實現(xiàn)簡單、方便、快速地掛鉤、脫鉤操作，同時吊鉤上設(shè)置安全銷，提高了脫鉤操作的安全性。吊環(huán)和鋼索采用一體式澆鑄，可有效防止脫扣，提高了安全性。

2.2 技術(shù)特點

該型收放裝置具有以下技術(shù)特點：

（1） 模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，適裝性良好

該收放裝置由功能模塊根據(jù)需要組合而成，可根據(jù)不同工作要求選裝各功能模塊。針對具體船型和空間安裝尺寸要求，對其吊臂結(jié)構(gòu)、減擺罩、波浪補償絞車以及液壓控制裝置進行優(yōu)化設(shè)計，使整個收放裝置具有良好的適裝性，滿足母船的安裝要求。

（2） 操縱簡單方便，收放工作艇速度可調(diào)

通過便攜式按鈕盒來操縱整個收放裝置，便攜式按鈕盒采用背負(fù)式，方便操縱人員雙手操作相應(yīng)的手柄和按鈕，并可在舷邊實時觀察工作艇的收放狀態(tài)，便于機動操作，確保以最安全的方式收放工作艇。收放裝置通過比例閥組控制回轉(zhuǎn)液壓缸、齒輪齒條缸和波浪補償絞車的液壓馬達(dá)，可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)機構(gòu)、同步旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和收放小艇的速度可調(diào)。

（3） 具有減擺補償（橫搖/縱搖）功能

減擺罩上安裝有減擺補償裝置，可大幅度降低在吊臂回轉(zhuǎn)過程中由于母船橫搖、縱搖所產(chǎn)生的小艇搖擺運動，保障小艇上人員和相應(yīng)設(shè)備的安全。

（4） 絞車具有波浪補償功能

該收放裝置采用具有波浪補償功能的絞車，該絞車波浪補償時反應(yīng)靈敏，波浪補償速度快，并且波浪補償速度可以根據(jù)海浪的沖擊速度實時自動調(diào)整，最大波浪補償速度可達(dá)100 m/min左右。同時為了保證收放裝置的安全性，在波浪補償絞車中設(shè)置機械剎車裝置和手動起艇功能，保證了應(yīng)急狀態(tài)的正常操作。

（5） 具有安全可靠、快速方便的脫鉤裝置

快速脫鉤裝置是關(guān)系到工作艇安全收放的最重要的部件之一，其吊環(huán)與鋼索采用一體式澆鑄，可有效防止鋼索的脫扣，提高安全性。快速脫鉤裝置采用特殊設(shè)計，能夠承受6倍的安全工作負(fù)荷；快速脫鉤裝置設(shè)有安全銷，需要脫鉤時先打開安全銷，再通過繩索拉動手柄，實現(xiàn)快速脫鉤。

（6） 可實現(xiàn)應(yīng)急操作，應(yīng)急操作簡單快捷

收放裝置具有完善的應(yīng)急操作環(huán)節(jié)，在收放裝置完全失電后，為了安全可靠收放工作艇，可通過波浪補償絞車的手動起艇功能、帶負(fù)載無動力下放等功能實現(xiàn)應(yīng)急收/放艇。利用液壓控制裝置上蓄能器的壓力油液可完成基座旋轉(zhuǎn)動作，當(dāng)蓄能器中油液不足時，也可利用手搖泵來手動補充蓄能器中的油液；當(dāng)恢復(fù)動力電時，啟動液壓控制裝置，主泵會自動給蓄能器充油到設(shè)定壓力。

（7） 充分考慮收放裝置的安全性與可靠性，注重人性化設(shè)計

設(shè)計方案從頂層需要出發(fā)，采用提高安全性、可靠性，操作、維修簡便性的方法和措施，充分考慮到各個分系統(tǒng)和關(guān)鍵元件分解不同的技術(shù)需求。對于機械結(jié)構(gòu)部分，通過提高設(shè)計安全系數(shù)、設(shè)置傳感器等方法提高安全性，采用冗余的設(shè)計方法來提高可靠性，并對重要元件進行充分的安全性、可靠性設(shè)計和選型。電氣控制系統(tǒng)具有完善的互鎖保護功能和狀態(tài)監(jiān)控信息。只有當(dāng)滿足操作條件時，操作手柄或按鈕開關(guān)才能作出相應(yīng)的操作動作。控制操縱箱和便攜式按鈕盒均設(shè)有相應(yīng)的報警指示和應(yīng)急停止按鈕，當(dāng)有突發(fā)事件發(fā)生時，可及時切斷動力，防止發(fā)生事故。

3 結(jié) 論

本文根據(jù)國際救生設(shè)備規(guī)則修正案對快速救助艇或小艇收放裝置的最新要求，采用單點L型單臂回轉(zhuǎn)設(shè)計方案，分別介紹了該型收放裝置的機械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電氣操縱控制系統(tǒng)的組成；并利用船舶運動補償技術(shù)設(shè)計相應(yīng)的輔助機構(gòu)，可以保證在四級海況下安全、可靠、快速進行小艇的釋放和回收操作。該型收放裝置具有模塊化設(shè)計、結(jié)構(gòu)緊湊，操縱簡單方便，具有減擺、波浪補償、減震緩沖等功能特點。

［1］ 孫寶國，劉海，施愷明. 高速工作艇及其收放裝置的設(shè)計探討［J］. 船舶工程，2011，33（2）：29-33.

［2］ 謝江怡.補給工作艇收放裝置選型設(shè)計分析［J］. 船舶， 2007（4）：49-51.

［3］ ISO15516， Ships and marine technology-launching appliances for davit-launched lifeboats［S］. Switzerland：International Organization for standardization. 2006.

［4］ 徐躍，李一飛，蔣余良，等. GB/T 11626-2009 船舶和海上技術(shù)-吊放式救生艇降放裝置［M］.北京：中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2009：3-7.

［5］ 齊廣東. 高海況救助艇收放裝置控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011：4-11.

［6］ 梁利華，王經(jīng)甫，史洪宇，等. L型單臂回轉(zhuǎn)式高速工作艇收放裝置使用維修說明書［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013：3-20.

［7］ 盧東慶，宋飛.主動式波浪補償控制技術(shù)仿真研究［J］.船舶，2012（6）：74-77.

Key technologies of marine single arm rotary davit

WANG Dong-tao
(Naval Military Representative Of fi ce in Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

Since the conventional davit performance cannot meet the security requirement of the launch and retraction under the high sea conditions, which often resulting in a safety accident, the LSA Code amendments put forward new requirements. According to these new requirements, it adopts the technology of ship motion compensation and designs corresponding auxiliary con fi guration in order to make a single arm rotary davit has the function of shimmy damper, wave compensation, shock absorption, and so on. It can guarantee the launch and retraction of the davit is safe, reliable and quick under the fourth level sea condition.

davit; single arm rotary; wave compensation; shimmy damper

U667

A

1001-9855（2014）03-0085-05

2014-01-22 ；

2014-03-13

王東濤（1967-），男，高級工程師，研究方向：艦船總體建造。