側(cè)移式艙口蓋頂升不同步原因分析與設(shè)計改進

張維傳

（南通中遠川崎船舶工程有限公司，江蘇南通，226005）

0 引言

隨著散貨船的大型化發(fā)展，貨艙艙口越來越大，艙口蓋的尺寸和重量也越來越大。大型散貨船上一般使用側(cè)移式艙口蓋居多。側(cè)移式艙口蓋一般分為單片式和雙片式，單片式艙口蓋四周能承重到艙口圍上，蓋板一般為對稱結(jié)構(gòu)，頂升滾輪處承受的重量平均，蓋板頂升同步；而雙片式艙口蓋，由于艙口蓋結(jié)構(gòu)不對稱，頂升滾輪處承受的重量不均勻，蓋板頂升的同步性差，嚴重時甚至會導致開艙困難，蓋板磨損嚴重。因此，側(cè)移式艙口蓋頂升同步性越來越受到重視。本文分析了某大型散貨船雙片側(cè)移式艙口蓋頂升不同步的現(xiàn)象以及引起的問題，提出設(shè)計改進措施。

1 側(cè)移式艙口蓋

1.1 艙口蓋結(jié)構(gòu)

側(cè)移式艙口蓋，顧名思義，即平移打開的艙口蓋。可為單片蓋板，也可為雙片蓋板。側(cè)移式艙口蓋蓋板一般設(shè)計為開式結(jié)構(gòu)，由梁和板組成，其主要構(gòu)件為頂板、端板、側(cè)板、縱梁、橫梁及扶強材等[1]。對于單片式艙口蓋，蓋板四周均能擱置到艙口圍面板上，因此可為對稱結(jié)構(gòu)。而對于雙片式艙口蓋，蓋板首尾兩端及外側(cè)擱置在艙口圍面板上，支撐點位于縱梁兩端以及橫梁的一端，蓋板內(nèi)側(cè)則懸空在貨艙中間，因此結(jié)構(gòu)無法對稱。側(cè)移式艙口蓋結(jié)構(gòu)簡單，既不需翻轉(zhuǎn)，也不需折疊，操作保養(yǎng)方便，但打開時需要較大的存放空間，多用于大型散貨船上。

1.2 驅(qū)動方式

側(cè)移式艙口蓋和單片式艙口蓋的蓋板可向單側(cè)移動，也可向兩側(cè)移動。雙片式艙口蓋可分別向兩側(cè)移動。艙口蓋的橫移動作可通過液壓馬達驅(qū)動鏈輪鏈條傳動來實現(xiàn)，兩片艙口蓋之間可設(shè)置同步鏈條，或者同步鋼絲繩，也可分別在每片蓋板上都設(shè)置齒輪齒條傳動。對于液壓式鏈條傳動的側(cè)移式艙口蓋，一般通過液壓油缸實現(xiàn)頂升和通過液壓馬達實現(xiàn)橫移。在每片蓋板首尾側(cè)滾輪關(guān)閉位置下方設(shè)置兩個液壓油缸，在舷側(cè)設(shè)置一個橫移用的液壓馬達。頂升和橫移在液壓系統(tǒng)中為并聯(lián)回路，來自液壓泵站的液壓油通過操縱控制閥站進行分流，先操縱油缸將艙口蓋滾輪頂起至導軌上表面，再操縱液壓馬達驅(qū)動鏈條控制艙口蓋橫移。一般設(shè)計上，控制閥站的操縱閥組處都設(shè)置可調(diào)式節(jié)流閥分別調(diào)節(jié)頂升和橫移的速度，液壓馬達上設(shè)有旁通閥和溢流閥，確保蓋板橫移動作平穩(wěn)，并能在任意位置鎖定[2]。

2 艙口蓋頂升不同步現(xiàn)象

2.1 現(xiàn)象描述

某新投入營運不久的大型散貨船上采用雙片側(cè)移式艙口蓋，液壓驅(qū)動，單片艙口蓋設(shè)置4個油缸，整艙設(shè)置橫移馬達1個，使用鏈輪鏈條傳動。在艙口蓋開啟過程中，發(fā)現(xiàn)頂升不同步現(xiàn)象趨于嚴重。有時靠外側(cè)的油缸先頂升到大約一半位置，靠中間的油缸才開始動作，因此導致兩片艙口蓋出現(xiàn)頂升不同步。蓋板兩側(cè)先被抬起，中間部分形成相對下沉擠壓，嚴重時甚至導致無法通過一次操作完成開艙動作。由于雙片式艙口蓋對接中縫處有保持風雨密性的橡皮條，還有上下限位結(jié)構(gòu)，打開時需兩片艙口蓋同時頂升，否則會出現(xiàn)艙口蓋接縫處結(jié)構(gòu)受到擠壓而損壞。此處可以看出艙口蓋的同步頂升非常重要。

經(jīng)現(xiàn)場排查，艙口蓋活動件接觸部位均已加足潤滑油，也確認油缸處液壓系統(tǒng)油已排氣干凈[3]，但反復(fù)操作幾次開艙動作仍發(fā)現(xiàn)艙口蓋頂升不同步。進而繼續(xù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，頂升兩片艙口蓋的8個油缸規(guī)格相同，液壓回路并聯(lián)，進油主管分8個支管到每個油缸處，因此在操縱閥組處設(shè)置的節(jié)流閥無法同時調(diào)節(jié)8個油缸的頂升速度同步。

2.2 原因分析

2.2.1 艙口蓋結(jié)構(gòu)分析

本船艙口蓋蓋板結(jié)構(gòu)，三邊能支撐到艙口圍上，剩下靠近艙中縫處的這邊由于中部懸空無法設(shè)置承重點，通過設(shè)置大梁結(jié)構(gòu)來承重，再考慮艙口蓋頂面排積水，中間高，兩側(cè)低，如圖1所示。受此結(jié)構(gòu)所限，艙口蓋重量分布不均，中間較重，兩側(cè)較輕。艙口蓋頂升裝置設(shè)置在滾輪下方，單片蓋板的4個滾輪受力不同， 而每塊蓋板由4個同樣規(guī)格的油缸頂升，這勢必導致作用在兩側(cè)較輕蓋板部分的油缸先動作，靠中的油缸后動作，這樣頂升動作不同步會使得兩片蓋板接縫處特別是中部橫向止動限位塊處出現(xiàn)嚴重的擠壓現(xiàn)象。

圖1 雙片側(cè)移式艙口蓋前視圖

如圖2所示，艙口蓋對接中縫處有密封橡皮條和上下限位塊。如果蓋板1和蓋板2向中向下旋轉(zhuǎn)下沉擠壓，橡皮容易因為在壓縮狀態(tài)摩擦滑移而損壞，蓋板頂部邊緣和限位板也容易發(fā)生擠壓變形損壞。再如圖3所示，蓋板1和蓋板2向中向下旋轉(zhuǎn)擠壓，艙口蓋上的限位結(jié)構(gòu)和艙口圍上的橫向止動限位塊會先擠壓吃緊，摩擦力增大，然后繼續(xù)擠壓直至彈起，此時的非正常受力很大，對止動塊的磨損相當嚴重。不同步現(xiàn)象嚴重時，此處還可能會卡死而導致艙口蓋無法正常一次頂起，需不停重復(fù)先頂升一點，再下降一點，才能勉強頂起。這對操作人員的人身安全和船舶碼頭停留周期都影響很大。

圖2 雙片艙口蓋中縫處密封結(jié)構(gòu)

圖3 雙片艙口蓋中縫處止動結(jié)構(gòu)

2.2.2 液壓系統(tǒng)分析

通過圖4可以看出，液壓油從大口徑主管路進到8個油缸幾乎是同時的，而由于開艙動作相對較慢，幾乎不存在因局部流量過大引起補油有先后而導致頂升不同步的現(xiàn)象。新營運的船液壓系統(tǒng)清潔度也不會有太大問題。因此判斷導致不同步的原因主要還是因為在同樣的頂升力作用下，較輕的蓋板一端被先頂起來。而這種結(jié)構(gòu)重量分布不均導致頂升力不同的問題，很難再通過均分結(jié)構(gòu)重量來解決。因此，要想兩片艙口蓋頂升同步，只能通過頂升動力方面調(diào)整實現(xiàn)。

圖4 改進前的液壓頂升系統(tǒng)

2.3 同步頂升設(shè)計改進

再進一步分析液壓系統(tǒng)中的頂升模塊，要想實現(xiàn)頂升同步，需設(shè)計液壓同步回路。所謂液壓同步回路，指有兩個或多個液壓執(zhí)行元件的液壓系統(tǒng)中，要求執(zhí)行單元件以相同的位移或相同的速度（或固定的速度比）同步運行。

目前液壓驅(qū)動的同步系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方式多種多樣，但主要是由開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種基本形式構(gòu)成[4]。多缸同步運動是液壓技術(shù)中的一大難題，液壓缸數(shù)目越多，同步難度越大。受著執(zhí)行機構(gòu)負載不均勻、摩擦、泄漏、制造精度等影響，也受到液壓系統(tǒng)合理性及元件質(zhì)量和可控性影響，同步過程是一個極其復(fù)雜的過程[5-6]。為了彌補這些流量上造成的變化，應(yīng)采取必要的措施。常用的高精度方法例如設(shè)置基于PLC閉環(huán)控制的液壓同步回路，它通過設(shè)置反饋單元采取油缸位置信號，傳遞給CPU，再通過信號處理模塊對信號進行分析處理，輸出油缸的動作信號控制各個油缸動作，輸出報警及判斷等，能全自動完成同步頂升[7-9]。或者利用偏差耦合控制策略，對活塞位移量的差值進行調(diào)節(jié)和擾動補償[10]。再者利用一種基于拉繩式位移傳感器配合比例伺服閥的數(shù)字式閉環(huán)控制方案來實現(xiàn)多缸同步升降[11]。但是，對于艙蓋這種同步精度要求不高的設(shè)備，以上系統(tǒng)過于繁雜，實現(xiàn)起來成本過高，不可取。此處主要考慮改進現(xiàn)有的開環(huán)控制回路，比如通過閥控同步回路實現(xiàn)[12]。對于本船艙蓋液壓系統(tǒng)，主要考慮可以通過3個方面加以改進。

1）內(nèi)外側(cè)使用不同規(guī)格的頂升油缸

即靠中側(cè)的油缸加大規(guī)格，使其頂升力比靠舷側(cè)油缸的頂升力大，以此來調(diào)整8個油缸頂升同步。當然，此方法需詳細計算艙口蓋的重量分布及每個滾輪的受力，根據(jù)具體受力計算定制合適截面積的液壓油缸。此法雖能解決頂升不同步的問題，但需定制非標規(guī)格的油缸，成本較高。

2）油缸進油口處追加可調(diào)節(jié)流閥

此方法可以通過節(jié)流閥在艙口蓋啟閉過程中反復(fù)調(diào)整各油缸的進油流量，直到兩片艙口蓋頂升趨于同步為止。此方法在設(shè)計之初無需上述第1種方法那樣精確計算，而是在安裝后期隨時進行調(diào)整，方便可靠。雖增加了節(jié)流閥部件，引起采購和維護成本稍有上升，但能解決艙口蓋頂升不同步的問題。

3）油缸進油口處使用非可調(diào)節(jié)流設(shè)計

如進油口徑變小。此方法需計算液壓系統(tǒng)壓力損失和流量，變徑值的選取對節(jié)流速度的影響也需精確計算。可將所有油缸進油口統(tǒng)一變小直徑，雖不能完全同步，卻也能減緩不同步的程度，能達到使用要求。此法產(chǎn)生的成本最小。

此處優(yōu)先考慮通過節(jié)流措施實現(xiàn)同步回路。改進后的液壓頂升系統(tǒng)圖見圖5。

圖5 改進后的液壓頂升系統(tǒng)

以上3個方法，對艙口蓋前期的設(shè)計和后期的維護都有不同影響，可權(quán)衡后選擇。如果對同步要求不那么高，推薦使用方法3。如果對同步要求稍高，可選擇方法1和方法2。當然，船舶在不同縱傾橫傾狀態(tài)下，艙口蓋的重心有所改變，每次開艙的同步性也是不可能完全一樣，但相差不會太大。

通過以上分析，如果雙片艙口蓋能同步頂升，那么中縫處的壓緊條和橡皮則能順利分離，不產(chǎn)生摩擦，而限位塊也能在正常位置落位和分離，這樣，整個開關(guān)艙過程中動作順利平穩(wěn)，安全可靠，還將大大增加的橡皮和限位塊等結(jié)構(gòu)部件的使用壽命。同時順利地開關(guān)艙蓋，節(jié)省碼頭操作工時，進而為船東節(jié)省了成本，帶來利益。由此可見，雙片艙口蓋頂升的同步性非常重要，而上述同步頂升的改進措施也顯得非常有意義。

3 結(jié)論

通過對雙片側(cè)移式艙口蓋結(jié)構(gòu)、液壓回路和實際使用情況綜合分析，有如下結(jié)論：

1）雙片側(cè)移式艙口蓋蓋板頂升必須達到行程基本同步；

2）可通過使用不同規(guī)格油缸達到上述目的，也可通過節(jié)流措施減緩不同步現(xiàn)象的出現(xiàn)；

3）艙口蓋需定期對活動件潤滑保養(yǎng)，定期對液壓系統(tǒng)清洗保養(yǎng)和放氣；

4）改進措施對大型艙口蓋更有實用價值，技術(shù)經(jīng)濟合理，具有推廣意義。

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