ERS抱箍鎖緊裝置可靠穩(wěn)定性研究

馮是公　孟軍　秦棟成

摘要：ERS（緊急脫離系統(tǒng)）是LNG船用裝卸臂上最核心的部件，它由上下兩個(gè)球閥組成，在上下球閥中間有一套抱箍鎖緊裝置。在裝卸臂正常裝卸的過(guò)程中，LNG船在海里會(huì)發(fā)生漂移，如果LNG船漂移到預(yù)設(shè)的報(bào)警范圍，緊急脫離系統(tǒng)就會(huì)開(kāi)始工作，先將上下兩個(gè)球閥關(guān)閉，然后打開(kāi)抱箍鎖緊裝置，使船和裝卸臂分離。現(xiàn)利用機(jī)械結(jié)構(gòu)原理優(yōu)化設(shè)計(jì)了抱箍鎖緊裝置，可以有效保護(hù)裝卸臂和碼頭設(shè)備，避免出現(xiàn)重大安全事故。

關(guān)鍵詞：LNG;ERS;船用裝卸臂;緊急脫離系統(tǒng);抱箍鎖緊裝置

0 引言

LNG船用裝卸臂的安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩級(jí)報(bào)警系統(tǒng)。如果LNG船漂移至一級(jí)報(bào)警位置，緊急脫離系統(tǒng)[1]就會(huì)關(guān)閉雙球閥;如果LNG船繼續(xù)漂移至二級(jí)報(bào)警位置，緊急脫離系統(tǒng)就會(huì)打開(kāi)抱箍鎖緊裝置，實(shí)現(xiàn)裝卸臂和船之間的分離。

抱箍鎖緊裝置在二級(jí)報(bào)警需要抱箍打開(kāi)的時(shí)候，抱箍必須能夠迅速打開(kāi)，但在正常裝卸的時(shí)候，必須要保證抱箍始終是在鎖緊狀態(tài)，不能出現(xiàn)意外打開(kāi)的情況。本文研究的重點(diǎn)就是利用機(jī)械結(jié)構(gòu)原理來(lái)徹底解決這個(gè)問(wèn)題，并進(jìn)行試驗(yàn)認(rèn)證，確保該裝置穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

1 結(jié)構(gòu)介紹

1.1 ? ?緊急脫離系統(tǒng)

緊急脫離裝置如圖1所示，它安裝在裝卸臂的三維接頭垂直位置，安裝位置如圖2所示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為兩部分：一部分是開(kāi)關(guān)閥機(jī)構(gòu)，另一部分是抱箍鎖緊裝置。

1.2 ? ?抱箍鎖緊裝置

1.2.1 ? ?抱箍截面模型

抱箍鎖緊的截面模型如圖3所示。

球閥和抱箍的接觸面是錐面，抱箍收緊，壓緊上下球閥的錐面使兩個(gè)球閥相互貼緊，在兩個(gè)球閥接觸的端面之間有蓄能密封圈，并且密封面端面之間不能出現(xiàn)泄漏，抱箍不能因?yàn)橥饬蛘哒駝?dòng)出現(xiàn)松動(dòng)或脫開(kāi)。

1.2.2 ? ?抱箍鎖緊裝置主要部件

抱箍鎖緊裝置的主要部件如圖4所示。

兩個(gè)油缸支承是通過(guò)螺栓連接到抱箍Ⅰ上的，油缸通過(guò)上下兩個(gè)固定軸可以在油缸支承里自由旋轉(zhuǎn)。推拉機(jī)構(gòu)可以繞銷(xiāo)軸Ⅳ自由旋轉(zhuǎn)，鎖緊桿可以繞銷(xiāo)軸Ⅱ自由轉(zhuǎn)動(dòng)。在鎖緊桿上有一個(gè)固定銷(xiāo)軸Ⅲ，鎖緊桿通過(guò)銷(xiāo)軸Ⅲ和推拉機(jī)構(gòu)連接。

抱箍鎖緊裝置的裝配圖如圖5所示。

正常工作的時(shí)候，油缸活塞收緊，油缸活塞頭座通過(guò)銷(xiāo)軸Ⅰ拉動(dòng)推拉機(jī)構(gòu)，推拉機(jī)構(gòu)繞銷(xiāo)軸Ⅳ旋轉(zhuǎn)，銷(xiāo)軸Ⅲ卡在推拉機(jī)構(gòu)的銷(xiāo)槽內(nèi)，通過(guò)銷(xiāo)軸Ⅲ拉動(dòng)鎖緊桿，鎖緊桿和抱箍Ⅱ連接，拉動(dòng)整體抱箍收緊，進(jìn)而抱箍收緊閥體。

1.2.3 ? ?連桿機(jī)構(gòu)死點(diǎn)原理

裝卸臂在正常使用的時(shí)候，還要考慮油缸壓力失效時(shí)會(huì)不會(huì)意外打開(kāi)抱箍。要保證抱箍不會(huì)意外打開(kāi)，就需要從機(jī)械原理上對(duì)抱箍進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)[2]是機(jī)械工程中應(yīng)用最廣的一類(lèi)機(jī)構(gòu)，可以將鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)原理應(yīng)用到抱箍鎖緊裝置上。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化圖如圖6所示。

圖6所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，曲柄1為原動(dòng)件，驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件搖桿3做往復(fù)擺動(dòng)，從動(dòng)件受到驅(qū)動(dòng)的方向與受力點(diǎn)速度方向所夾的銳角α稱(chēng)為壓力角。由連桿2傳遞到搖桿3上的力F的作用線(xiàn)沿BC方向。F在速度VC方向的分力Ft是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩的有效分力，其值為Ft=Fcos α。壓力角越小，有效分力越大，機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能越好。當(dāng)壓力角增大，有效分力Ft減小時(shí)，傳動(dòng)性能變差。在實(shí)際應(yīng)用中，為了測(cè)量方便，通常以壓力角的余角γ來(lái)衡量機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能。γ（即連桿和搖桿之間的銳角）稱(chēng)為傳動(dòng)角，傳動(dòng)角越大，傳動(dòng)的性能越好。

在△ABD和△CBD中，由余弦定理可得：

BD2=l2 1+l2 4-2l1l4cos φ=l2 2+l2 3-2l2l3cos∠BCD

由此可得：

cos∠BCD=

∠BCD=γ

若以搖桿3為原動(dòng)件驅(qū)動(dòng)曲柄1轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)搖桿位于C1D時(shí)，如圖7所示，通過(guò)連桿2傳遞到曲柄1上力的作用線(xiàn)經(jīng)過(guò)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)中心A，此時(shí)壓力角α=90°，因此不產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩來(lái)推動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，而使整個(gè)機(jī)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)，即α=90°，F(xiàn)t=0，這種位置稱(chēng)為死點(diǎn)。若搖桿繼續(xù)擺動(dòng)，曲柄可能沿著原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動(dòng)，也可能沿著與原來(lái)相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，還可能由于轉(zhuǎn)動(dòng)副中摩擦阻力的影響卡死在該位置。

對(duì)某些機(jī)械機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，死點(diǎn)位置是工作過(guò)程中極為不利的位置，但在一些機(jī)構(gòu)中也能得到很好的應(yīng)用。如圖8所示，工件夾緊機(jī)構(gòu)利用機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置進(jìn)行工作，當(dāng)工件夾緊后BCD成一直線(xiàn)，在工件反作用力F作用下，由連桿BC傳遞到CD桿上的力經(jīng)過(guò)其轉(zhuǎn)動(dòng)中心，機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置，即使機(jī)構(gòu)受很大的反力作用也可以保證在加工時(shí)工件不松動(dòng)。

1.2.4 ? ?死點(diǎn)原理在抱箍鎖緊裝置中的應(yīng)用

將連桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)原理運(yùn)用到抱箍鎖緊裝置上，四連桿機(jī)構(gòu)也可以演化成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖9所示。

油缸活塞收緊，活塞拉動(dòng)推拉機(jī)構(gòu)，當(dāng)AC和BC共線(xiàn)的時(shí)候，正好是在死點(diǎn)位置。繼續(xù)收緊油缸，使AC線(xiàn)超過(guò)BC線(xiàn)一個(gè)角度，越過(guò)死點(diǎn)位置，同時(shí)油缸活塞桿也已經(jīng)全部縮回到位，此時(shí)鎖緊機(jī)構(gòu)完全是剛性連接。如果產(chǎn)生外力載荷（由于管線(xiàn)介質(zhì)的重量或者裝卸過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)）作用在抱箍上，鎖緊裝置只會(huì)向收緊的方向運(yùn)動(dòng)，將抱箍Ⅰ和抱箍Ⅱ收緊，即使將油缸拆除，鎖緊桿的運(yùn)動(dòng)方向也不會(huì)出現(xiàn)改變。

在B點(diǎn)銷(xiāo)軸位置安裝有一根安全銷(xiāo)，如圖10所示，安全銷(xiāo)貫穿推拉機(jī)構(gòu)和鎖緊桿。當(dāng)油缸活塞桿推出時(shí)，必須先要把安全銷(xiāo)剪切斷，推拉機(jī)構(gòu)和鎖緊桿才能完全分離，保證在任何振動(dòng)或者額定的外載荷下，都不足以將安全銷(xiāo)剪切斷。

2 抱箍鎖緊裝置測(cè)試

抱箍鎖緊裝置的設(shè)計(jì)載荷[3]是基于緊急脫離裝置內(nèi)部壓力PL和抱箍鎖緊裝置上的最大當(dāng)量載荷LCA。LCA是指在裝卸臂最?lèi)毫庸r下，作用在抱箍鎖緊裝置上的軸向力、徑向剪切力和彎矩的組合。現(xiàn)從FEA分析和模擬工裝試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試兩方面對(duì)緊急脫離抱箍裝置進(jìn)行分析。