船舶靠泊液壓緩沖系統設計

黃國富季越紅

(1.中國船舶科學研究中心上海分部，上海 200011;2.中船重工(上海)節能技術發展有限公司，上海 200011)

為了減小帶速船舶對碼頭的沖擊，傳統的做法是在碼頭上安裝木材護舷和橡膠護舷等船舶緩沖裝置，由于橡膠護舷比木材護舷使用壽命長，耐久性強，不易腐爛，廣泛應用在小型碼頭[4-5]，但橡膠護舷吸收沖擊能力有限，船舶靠泊帶速較大時，橡膠護舷的緩沖作用基本失效。應用前景較好的柔性吸能防撞設施依靠船舶撞擊力作用使樁頭水平變位從而消耗靠泊動能，但其要求高等級鋼材和高質量焊接[6-8]，成本增加。相對而言，一些液壓元件成本較低，如液壓缸和溢流閥可作為吸能減振元件對失控船舶靠泊的沖擊能量進行吸收[9-11]。節流閥、蓄能器對于解決溢流閥開啟滯后性具有一定作用，在煤礦機械中被用來吸收提升機過卷過放沖擊[12-13]。但在船舶靠泊液壓緩沖系統設計領域，關于液壓缸匹配節流閥、溢流閥、蓄能器組合吸收帶速船舶靠泊沖擊并將其緩慢制動的設計和理論探討卻鮮有公開發表的文獻記錄。針對船舶靠泊沖擊問題，考慮通過液壓缸匹配節流閥、溢流閥、蓄能器組合，設計船舶靠泊液壓緩沖系統，采用AMESIM搭建系統仿真模型，結合船舶緩沖位移-緩沖力的特性曲線分析歸納失控船舶速度、質量、蓄能器充氣壓力、節流閥通徑對緩沖系統性能影響規律，為完善船舶靠泊減震吸能技術提供參考。

1 系統組成及原理

船舶靠泊液壓緩沖設備及系統組成見圖1。

圖1 船舶靠泊液壓緩沖設備及系統組成

考慮到靠泊防撞緩沖結構的穩定性、受力均勻及安裝布置等方面，對稱設置導向裝置，設置滾筒主要為了靠泊時避免損害船舶表面，緩沖墊下設緩沖油缸吸收船舶靠泊時產生的沖擊動能。

靠泊前防撞板在緩沖油缸無桿腔彈簧力作用下處于伸出狀態；待船舶靠泊時，船舶撞擊防撞板，壓縮緩沖油缸活塞縮回，其無桿腔油液先經節流閥產生節流阻尼作用，接著存儲于蓄能器氣囊，當壓力大于溢流閥開啟壓力時，多余的油液溢流回油箱；這樣緩沖油缸無桿腔形成一定的油壓，該壓力作用于活塞上，阻礙船舶快速停止，從而形成一定的緩沖效果，防止失控船舶靠泊造成破壞；待船舶離開碼頭或岸邊時，蓄能器釋放儲存的油液，緩沖油缸活塞在無桿腔彈簧和蓄能器氣囊油壓的作用下，復位至初始狀態。

2 系統仿真模型搭建

根據船舶靠泊液壓緩沖系統工作原理，搭建其系統仿真模型見圖2。仿真參數見表1。

圖2 船舶靠泊液壓緩沖系統仿真模型

表1 仿真參數

3 船舶靠泊液壓制動系統仿真分析

設置仿真步長0.001 s、仿真時間3 s，仿真分析得到船舶靠泊液壓緩沖系統動態性能見圖3。

圖3 失控船舶靠泊液壓緩沖系統動態性能

液壓緩沖系統實際吸能E為

(1)

式中：F為系統緩沖力；x為緩沖位移。

則圖3c)緩沖位移x與緩沖力F所包圍的面積即為系統實際吸收的能量值。

由圖3可見，船舶靠泊發生失控事故時，靠泊液壓緩沖系統發揮較好的緩沖作用，船舶速度由初始失控速度3.0 m/s緩慢減速至0，緩沖過程船舶位移0.86 m；蓄能器儲存6.8 L的油液，氣囊壓力增加至13.2 MPa；船舶失控靠泊過程中的緩沖力最大為1.15×106N，緩沖初期緩沖力逐漸增大，緩沖末期緩沖力逐漸減小。

為研究不同載重的失控船舶靠泊時的緩沖特性，分別設置船舶總質量為6.0×104，8.0×104，1.0×105，1.2×105kg仿真分析，結果見圖4。

圖4 失控船舶總質量對靠泊液壓緩沖系統的影響

失控船舶沖擊能E0為

(2)

式中：M為船舶總質量；v為船舶失控速度。

當失控船舶載重增大(即式(2)中M增大)時，船舶失控時的沖擊能量增大，緩沖系統需要緩沖吸收的能量增加。

由圖4可見，隨船舶總質量增大，船舶位移逐漸增大，蓄能器氣囊壓力也增大，當船舶質量增大至1.0×105kg時，蓄能器氣囊壓力達到了溢流閥的設置壓力值，系統壓力發生了卸荷，壓力始終保持為30 MPa。由圖4c)可以看出，當船舶總質量增大后，緩沖系統吸收的沖擊能量增加，緩沖系統通過延長緩沖位移、增大緩沖力進行吸收更多的靠泊沖擊能量。

為研究不同失控速度的船舶靠泊時的緩沖特性，分別設置船舶速度為3.0、4.0、5.0、6.0 m/s仿真分析結果見圖5。

由圖5可見，隨失控船舶速度增大，緩沖過程船舶發生的位移變化較小、無規律，而蓄能器氣囊壓力增大、緩沖力增大、系統吸能量增大，很顯然當失控船舶速度增大后，緩沖系統僅通過增大緩沖力進行吸收增加的船舶靠泊沖擊能。

為研究船舶靠泊時不同蓄能器充氣壓力的緩沖特性，分別設置蓄能器充氣壓力3.0、5.0、7.0、9.0 MPa，仿真分析見圖6。

由圖6可見，當蓄能器氣囊壓力由3.0 MPa增大至9.0 MPa，船舶發生的位移由0.86 m減小至0.60 m，蓄能器氣囊壓力由13.2 MPa增大至22.5 MPa，系統緩沖力(緩沖力數量級為106)由1.15×106N增加至1.18×106N，但緩沖位移-緩沖力包圍的面積基本相同，說明失控船舶靠泊沖擊能一定的條件下，液壓緩沖系統的吸能量基本是一定的，蓄能器參數對吸能量影響不大。

為研究不同節流閥通徑的緩沖特性，分別設置節流閥通徑為3.0、4.0、5.0、6.0 mm，仿真分析結果見圖7。

圖5 失控船舶速度對靠泊液壓緩沖系統的影響

圖6 充氣壓力對靠泊液壓緩沖系統的影響

圖7 節流閥通徑對靠泊液壓緩沖系統的影響

由圖7可見，當節流閥的通徑由3.0 mm增大至6.0 mm，船舶位移由0.86 m增大至1.15 m；當節流閥通徑增大至5.0 mm時，蓄能器氣囊壓力逐漸增大至溢流閥設定的開啟壓力值30 MPa，系統緩沖力由2.2×106N降低至0.3×106N，而緩沖位移-緩沖力包圍的面積基本保持一致，進一步說明了失控船舶靠泊沖擊能一定的條件下，液壓緩沖系統的吸能量基本是一定的，節流閥通徑對系統吸能量的影響也不大。