船舶靠泊防撞裝置結構設計

田玉芹

(青島黃海學院, 山東 青島 266427)

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船舶靠泊防撞裝置結構設計

田玉芹

(青島黃海學院, 山東 青島 266427)

為提高船舶靠泊時的安全性，設計研究一種液壓緩沖裝置作為碼頭上的護舷裝置。根據液壓緩沖原理設計該防撞裝置，借液壓阻尼作用,通過能量的轉換,使船舶靠泊時速度逐漸降低并停靠;設計時考慮船舶靠泊時的撞擊力和系纜后風流對護舷的作用力，最終得到防撞裝置的結構模型，為后期進行結構建模、受力分析奠定基礎，為液壓式碼頭護舷的研究提供參考。

液壓緩沖裝置；護舷；靠泊撞擊力；防撞裝置

0 引言

船舶靠泊時會產生撞擊能量。碼頭防撞裝置設計是碼頭工程設計中的重要內容。合適的碼頭防撞裝置不僅能保證靠泊作業的安全進行，同時可以提高碼頭使用壽命，減少維護成本。液壓式護舷是一種能夠高效吸收能量的碼頭防撞裝置，其核心裝置是液壓緩沖器，借液壓阻尼作用對因慣性運動的物體進行阻礙并使其停止。

1 液壓緩沖式碼頭護舷工作原理

船舶以一定的速度向碼頭靠泊，在與碼頭護舷碰撞時，其有效撞擊能量被碼頭護舷吸收，并且在護舷的作用下，船舶的速度逐漸降低最終停靠在碼頭前沿。在靠泊過程中液壓緩沖式碼頭護舷系統實現對靠泊能量吸收的工作原理如圖1所示。

圖1 液壓緩沖式碼頭護舷的工作原理

節流閥與單向閥1連接構成單向節流閥，并且可以通過調節節流閥上的流量調節手輪來改變流量和壓力。溢流閥能對液壓緩沖系統定壓及起安全保護作用。液壓缸中的彈簧可提供當船舶離開碼頭時使活塞桿回移到初始位置上的力。

其工作原理如下：船舶靠泊時液壓防護裝置的活塞桿發生碰撞，受到的碰撞壓力使內部的活塞向左運動，擠壓液壓缸內的液壓油，同時彈簧壓縮，液壓缸筒內的液壓油因活塞的運動壓力增大，到達一定值后，單向閥1打開，缸筒內的液壓油經過節流閥、單向閥1、溢流閥進入油箱內。活塞桿壓縮液壓油的運動將會消耗大量的動能，這些動能來自于船舶撞擊時產生的撞擊能量，能量被活塞的運動消耗，船舶受到的撞擊能量就會減少，從而保護船舶免受撞擊能量的損壞。當船舶離開碼頭時，活塞桿受到復位彈簧的作用回復到原位，壓力變小，油箱的液壓油會經過單向閥2進入缸筒內補充壓力，從而完成整個過程。液壓油經過單向閥1時，單向閥2始終是關閉的。同理，液壓油經過單向閥2時，單向閥1是關閉的。整個過程始終保持往一個方向運動。

液壓緩沖式碼頭護舷優勢：通過能量的轉換可高效地吸收撞擊能量；液壓油的循環利用可減少維護成本；改變液壓缸的尺寸可以提高液壓緩沖裝置吸收能量的極限點；有效提升船舶的靠泊安全性。

2 液壓緩沖式碼頭護舷主體設計

進行護舷主體設計時選取船舶的主要參數如下。

船長：L=200m；船寬：W=30m；吃水：d=10m；噸位：m=10 000t；船舶靠泊時法向速度：Vn=0.1m/s；船舶靠泊時與護舷夾角：θ=10°。

碼頭護舷的設計需考慮船舶靠泊時的撞擊力以及船舶系纜后風流對護舷的作用力。

2.1 液壓缸缸筒內徑D

液壓缸缸筒內徑D是根據液壓缸的負載和缸內壓力來計算確定的。內徑確定后才可以進行其他參數的計算。在計算得到缸筒內徑D后，還需根據GB2348-1980標準來選取。

以無桿腔作工作腔時

以有桿腔作工作腔時

式中:D為液壓缸缸筒內徑，m；Fmax為液壓缸上的最大作用負載，N；P1為液壓缸工作腔的工作壓力，Pa；d為活塞桿外徑，m。

作用在液壓缸上的最大負載是船舶靠泊時的撞擊力與靠泊后在風載荷和波浪載荷的作用下形成的作用力之和。靠泊時的撞擊力遠遠大于風載荷和波浪載荷作用下的作用力，因此在進行液壓缸內徑設計時所受的最大負載為船舶靠泊時的撞擊力Fmax=634.36kN。此處以無桿腔做工作腔計算。

液壓筒的缸內壓力應根據負載的大小來確定，在此選取工作腔的工作壓力P1=10MPa。

由式(1)可知：D=0.28m。

通過查閱GB2348-1980，選取液壓缸缸筒內徑D=0.32m。

2.2 液壓缸活塞桿外徑d

液壓缸活塞桿直徑D根據活塞桿受力狀況來確定。當活塞桿受拉力作用時：d=(0.3～0.5)D。當活塞桿受壓力作用時：當P1=5MPa時，d=(0.5～0.55)D；當5MPa7MPa時，d=0.7D。

已知在計算液壓缸缸筒內徑時選取的液壓筒缸內壓力P1=10MPa，并且活塞桿主要受到的是壓力作用，因此活塞桿外徑尺寸d=0.224m。

根據GB2348-1980中給出的相關標準，選取活塞桿外徑d=0.22m。

2.3 液壓缸壁厚δ的校核

在缸筒內壁進行校核時需分別考慮缸筒是薄壁還是厚壁。

(1) 若缸筒為薄壁，壁厚δ的校核方式為

式中：D為缸筒內徑，m；Pmax為缸筒試驗壓力,MPa；σP為缸筒材料的許用應力。

(2) 若缸筒為厚壁，壁厚δ的校核方式為

在設計時選取液壓缸壁為厚壁，即以式(4)來校核液壓缸的壁厚。由于液壓筒的缸內壓力P=10MPa，在此選擇缸筒試驗壓力Pmax=15MPa。缸筒材料選擇無縫鋼管，[σP]=100～110MPa,取[σP]=100MPa。

因此，可取δ=0.05m。此時D/δ=0.32m/0.05m=6.4<10,滿足厚壁要求。

2.4 液壓缸缸筒外徑D1

液壓缸缸筒的外徑應不小于其內徑加上2倍的壁厚，即

式中：D1為液壓缸缸筒外徑，m；D為液壓缸缸筒內徑，m；δ為液壓缸缸筒壁厚，m。

由式(5)可知：D1=0.42m。在此取缸筒的外徑D1=0.42m。

2.5 液壓缸缸筒長度L

通常通過活塞桿的工作行程長度與各種結構來確定液壓缸缸筒的長度L，即

式中：L為缸筒長度，m；I為活塞的最大工作行程，m；B為活塞寬度，m；A為活塞桿導向長度，m；C為其他長度，m。

選取活塞的最大工作行程I=1m。活塞的寬度根據液壓缸設計規范可知B=(0.6～1)D，在此文中選取B=0.6D=0.6×0.32m=0.2m。活塞桿導向長度A=(0.6～1.5)D，在此選取A=D=0.32m。

由式(6)可知：L=1.57m。在此選取液壓缸缸筒的長度L=1.62m。

3 液壓缸

根據上述計算步驟得到的數據通過CAD軟件畫出液壓缸示意圖，如圖2所示。

圖2 液壓缸示意圖

如圖2所示，在右側缸蓋上裝有節流閥和液壓控制閥。左側的活塞桿是船舶靠泊時與防撞裝置的接觸點，在右側的控制閥與液壓油箱和復位裝置連接，整個裝置的連接方式主要采用螺釘，以方便安裝以及后期維護。

活塞受到撞擊后向右移動，為防止缸筒產生真空，在上方開一個排氣孔，在運動時，液壓缸外的空氣可以進入缸筒內。同理，當船舶離開時，進入的空氣又可以從排氣孔排出。安裝的排氣裝置結構如圖3所示。

圖3 快速排氣閥結構

如圖4所示，P、A、T是可以快速進出氣體的閥口。當空氣由P進入時， 閥芯上移P與A相通，缸筒內得到足夠的空氣避免真空；當空氣由A進入時，閥芯下移A與T相通，這時空氣可以快速地從T處排出。

通過以上的設計計算得出各個零件的大小，將單個零件組合通過CAD軟件畫出的結構模型如圖4所示。

圖4 單個液壓緩沖裝置的結構設計模型

4 液壓緩沖裝置的結構設計模型

單個結構吸收能量的極限點較低，能適應的船舶類型有限，將幾個結構組合成一組裝置可以提高防撞裝置吸收能量的極限點，從而保證不同大小船舶的靠泊安全。

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5 結束語

通過對船舶靠泊防撞裝置的設計研究，進一步論證了利用液壓做護舷的方案的可行性。液壓裝置的使用壽命遠大于橡膠護舷的使用壽命，其所能夠承受的撞擊能量也高于橡膠護舷，可以更好地保護船舶與碼頭。目前，液壓式碼頭護舷僅作為概念出現，在各大碼頭并未安裝使用。

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Structure Design on Anti-Collision Device of Ship Berthing

TIAN Yuqin

(Qingdao Huanghai University, Qingdao 266427, Shandong， China)

To improve berthing safety, with the help of hydraulic damping effect a hydraulic damping device is designed as fenders on the dock. The anti-collision device is designed according to the hydraulic damping principle to design the anti-collision device. By hydraulic damping effect, the ship berthing speed is gradually reduced and the ship is docked with the help of hydraulic damping effect through the energy conversion. The berthing impact force and force of the fender after the lines are fasten are considered during design. The anti-collision device structure model is obtained. It lays the foundation for the structural modeling and force analysis,and provides a reference for the research of hydraulic fender.

hydraulic damping device; fender; berthing impact force； anti-collision device

1000-3878(2017)03-0064-03

田玉芹(1978-)，女，副教授，主要研究方向為船體結構設計與制造

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