一種船用A60級防火移門氣動系統(tǒng)

楊朋朋，闞凈，彭永健，陳黎明，秦榮俊

(無錫海核裝備科技有限公司 ，江蘇無錫 214000)

0 前言

A60級防火移門是一種應(yīng)用于船舶上的艙壁開口關(guān)閉裝置，除貨物處所、特殊處所、儲藏間和行李室之間的艙口以及這些處所與露天甲板之間的艙口外，文中所述移門也常應(yīng)用在客船和甲板上的開口處。其功能是在關(guān)閉時能夠屏蔽風(fēng)雨，同時在船艙發(fā)生火災(zāi)的情況下能夠阻止火焰和煙霧等通過，起到隔離和安全保護(hù)的作用。根據(jù)船檢規(guī)范，它的功能主要需滿足以下要求：門為自閉型；移動速率為0.1～0.2 m/s，并可以調(diào)節(jié)；可以遠(yuǎn)程遙控；設(shè)有應(yīng)急蓄能裝置，并且在主氣源斷掉后蓄能氣源可以自動切入；關(guān)閉過程遇障礙物時能夠重新開啟；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)，溫度超過200 ℃時，火警開關(guān)工作，實(shí)現(xiàn)蓄能裝置排氣和門體自動關(guān)閉同步進(jìn)行，并保證門體最終關(guān)閉。現(xiàn)有移門有些采用液壓缸驅(qū)動，液壓泵站作為動力油源。由于需要配置液壓泵站，增加了系統(tǒng)的占用空間，同時液壓系統(tǒng)的泄漏也容易導(dǎo)致現(xiàn)場環(huán)境的污染，尤其是使用在豪華郵輪上時，對系統(tǒng)的清潔要求更加嚴(yán)格。還有一些移門雖然采用氣缸推進(jìn)，但是集成閥組采用的是外置標(biāo)準(zhǔn)換向閥件，存在大量的外接管路，導(dǎo)致現(xiàn)場紊亂，同時大量的管路也增加了漏氣的風(fēng)險。本文作者開發(fā)一種移門氣動系統(tǒng)，將換向閥、調(diào)壓閥等數(shù)十個閥件閥芯高度集成在一個閥塊上，同時將閥塊集成在氣缸尾部，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高度集成化和高可靠性。該系統(tǒng)已經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證并已實(shí)際應(yīng)用于產(chǎn)品上，性能良好。

1 產(chǎn)品相關(guān)結(jié)構(gòu)組成和主要功能介紹

A60級防火移門機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由門框、門體、導(dǎo)軌、防撞機(jī)構(gòu)和其他一些輔助結(jié)構(gòu)組成，氣動驅(qū)動系統(tǒng)主要由主驅(qū)動氣缸、集成閥組、火警閥、鎖緊氣缸、按鈕閥、安全閥、氣瓶組、屏蔽箱、常開按鈕和其他一些氣動管件組成。具體如圖1所示。

圖1 A60級防火移門相關(guān)結(jié)構(gòu)組成

主要功能：

(1)自閉型。正常情況下門體保持關(guān)閉狀態(tài)，短時打開后，能夠自動恢復(fù)到關(guān)閉狀態(tài)。

(2)手操開門。手動操作按鈕閥，門體受主氣缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)門體的打開。

(3)開門保持。點(diǎn)動常開按鈕，主氣缸驅(qū)動門體打開，并保持；再點(diǎn)動常開按鈕，開門保持取消，門體恢復(fù)常閉狀態(tài)。

(4)遠(yuǎn)程屏蔽。遠(yuǎn)程操控相關(guān)閥件，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開門屏蔽，此時“開門保持”功能失效，門處在常閉功能狀態(tài)。

(5)專人開門。在門處在遠(yuǎn)程屏蔽狀態(tài)時，只有擁有權(quán)限的人員，通過操作鑰匙閥才能夠開啟門體。

(6)防夾功能。門體在關(guān)閉過程中如果碰到阻擋，門體能夠向著打開方向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)防夾功能，并且門體反向運(yùn)動的行程可以進(jìn)行大致調(diào)節(jié)，以保證門體的回彈距離可控。

(7)氣動應(yīng)急。當(dāng)主氣源停止供氣時，應(yīng)急氣源能夠自動切換來代替主氣源工作，實(shí)現(xiàn)氣動應(yīng)急開關(guān)門功能，并且應(yīng)急次數(shù)不少于10次。

(8)手動應(yīng)急。當(dāng)氣源停止供氣、應(yīng)急氣源耗盡時，能夠通過純手動操作實(shí)現(xiàn)開關(guān)門功能。

(9)火災(zāi)保護(hù)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，氣動系統(tǒng)能夠自動切斷主氣源、排盡應(yīng)急氣源，排氣時如果門體處在開的狀態(tài)，還應(yīng)能夠同時確保門體自動關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)保護(hù)功能。

2 氣動系統(tǒng)原理實(shí)現(xiàn)

該氣動移門的氣動原理如圖2所示。它主要由主氣缸、鎖緊氣缸、集成閥組、氣瓶、安全閥、截止閥、按鈕閥、鑰匙閥、電磁閥和機(jī)械閥組成，其中關(guān)鍵部件為主氣缸和集成閥組。主氣缸作為開關(guān)門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時氣缸桿的內(nèi)部又設(shè)計(jì)了通道，可作為控制氣體的氣路通道。圖3所示為主氣缸結(jié)構(gòu)簡圖。

圖2 氣動原理

圖3 主氣缸結(jié)構(gòu)簡圖

集伐閥組由若干個氣動元件組合而成，其外形如圖4所示，原理見圖2，實(shí)物如圖5所示。由于涉及到技術(shù)保密，此處不針對集成閥組內(nèi)部設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹，僅進(jìn)行原理性介紹。

圖4 集成閥組外形

圖5 集成閥組

結(jié)合氣動系統(tǒng)原理圖，各主要功能實(shí)現(xiàn)方式如下：

(1)自閉功能。開通氣源，壓縮空氣從E口經(jīng)過濾器3.14,分別接通主閥3.12和梭閥3.13，壓縮空氣經(jīng)梭閥3.13連通主換向閥3.12的左控制腔，此時主換向閥工作在左位機(jī)能，壓縮空氣依次經(jīng)主換向閥左位機(jī)能、單向閥3.11進(jìn)入壓縮氣瓶4，進(jìn)行充氣工作，同時經(jīng)減壓閥3.7分別連通氣控閥3.2和3.5，此時，按鈕閥7、機(jī)械閥10和鑰匙閥8都處于關(guān)閉狀態(tài)，則氣控閥3.5在左腔壓力作用下工作在左位機(jī)能，此時氣控閥3.2工作在右位機(jī)能，即工作氣體經(jīng)氣控閥3.2進(jìn)入主氣缸有桿腔，使氣缸桿保持在縮回的狀態(tài)，即門體常閉狀態(tài)。

(2)手操開門。手動操作按鈕閥7，氣控閥3.5左腔壓力被釋放，氣控閥3.5在彈簧力作用下工作在右位機(jī)能，壓縮空氣經(jīng)氣控閥3.5和梭閥3.4進(jìn)入主氣缸無桿腔和氣控閥3.2左控制腔體使氣控閥3.2工作在左位機(jī)能，此時，主氣缸活塞桿推出，驅(qū)動門體實(shí)現(xiàn)開門功能。

(3)開門保持。使電磁閥3.6持續(xù)得電，此時壓縮氣體經(jīng)主控制閥3.12左位機(jī)能、電磁閥3.6右位機(jī)能和梭閥3.4進(jìn)入主氣缸無桿腔和氣控閥3.2左控制腔體使氣控閥3.2工作在左位機(jī)能，主氣缸活塞桿推出，驅(qū)動門體實(shí)現(xiàn)開門保持功能。

(4)遠(yuǎn)程屏蔽。遠(yuǎn)程操控使電磁閥9得電，電磁閥9工作在左位機(jī)能，切斷氣路，使得按鈕閥7.2失效，同時使電磁閥3.6一直斷電，門一直處在常閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程屏蔽功能。

(5)專人開門。在門處在遠(yuǎn)程屏蔽狀態(tài)時，具有鑰匙閥鑰匙的乘務(wù)人員，可以通過操作鑰匙閥實(shí)現(xiàn)門的打開，此時原理與“手操開門”原理相同，只是通過操作鑰匙閥8進(jìn)行控制。

(6)防夾功能。門體前端設(shè)置活動的機(jī)械部件，在關(guān)閉過程中如果碰到阻擋，機(jī)械部件會觸發(fā)機(jī)械閥10，機(jī)械閥10將先導(dǎo)氣源放掉，門體向著打開方向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)防夾功能。

(7)氣動應(yīng)急。當(dāng)主氣源停止供氣時，氣瓶4里存儲的應(yīng)急氣體一路經(jīng)梭閥3.13控制主換向閥3.12，使其維持在左位機(jī)能，避免應(yīng)急氣源外泄，另一路經(jīng)減壓閥3.7代替主氣源工作，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急氣源自動切換來代替主氣源工作。

(8)手動應(yīng)急。當(dāng)氣源停止供氣、應(yīng)急氣源耗盡時，打開應(yīng)急閥3.1，閥3.1工作在右位機(jī)能，氣缸兩腔連通大氣，此時只需通過人力操作，克服機(jī)械摩擦力，即可實(shí)現(xiàn)門體的開關(guān)動作。

(9)火災(zāi)保護(hù)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，火警閥3.16或3.17工作，將主控閥3.12控制氣體放掉，主控閥切換到右位機(jī)能工作，主氣源關(guān)閉，同時應(yīng)急氣瓶中氣體經(jīng)主換向閥和節(jié)流調(diào)速閥3.15排向大氣，氣動系統(tǒng)自動切斷主氣源、排盡應(yīng)急氣源；由于氣瓶排氣經(jīng)過節(jié)流調(diào)速閥3.15，所以排氣過程需要一段時間，此時如果門體處在開的狀態(tài)，那么在這一段時間能夠保證門體的自動關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)保護(hù)功能。

3 主氣元件設(shè)計(jì)計(jì)算

由門體機(jī)械參數(shù)需求，移動門體所需要的推力=500 N、門體行程=1 340 mm，應(yīng)急氣源保證應(yīng)急次數(shù)為10次。

3.1 主氣缸主要參數(shù)計(jì)算

參考圖3，由單活塞桿氣缸工作特點(diǎn)可知，同樣壓力作用下其拉力小于推力，因此在計(jì)算確定氣缸缸徑和桿徑時，以氣缸拉力滿足移動門體所需推力計(jì)算即可。同時，結(jié)合氣動原理可知，在主氣缸桿回拉的時候，由于先導(dǎo)氣壓的存在，導(dǎo)氣腔對主活塞桿會產(chǎn)生一個推力，因此主氣缸在回拉時的實(shí)際拉力為

=-

(1)

式中：為主氣缸工作時的實(shí)際拉力；為主氣缸活塞桿有桿腔產(chǎn)生的拉力；為主氣缸導(dǎo)氣腔對活塞桿產(chǎn)生的推力。

參考手冊，氣缸有桿腔拉力計(jì)算公式如下：

(2)

式中：為氣缸額定工作壓力；為主氣缸缸徑；為主氣缸活塞桿桿徑。

結(jié)合氣動原理可知，在主氣缸桿回拉的時候，由于先導(dǎo)氣壓的存在，導(dǎo)氣腔對主活塞桿會產(chǎn)生一個推力，即：

(3)

式中：為導(dǎo)氣桿活塞直徑。

令:

=

(4)

式中：為活塞桿與活塞缸的直徑之比。

將式(2)—(4)分別代入式(1)后轉(zhuǎn)換可得

(5)

將已知量代入式(5)，即可得主氣缸相關(guān)尺寸參數(shù)，具體數(shù)據(jù)在此不予細(xì)述。

3.2 氣瓶容積計(jì)算

根據(jù)上述所確定的主氣缸參數(shù)和門體具體行程，可以計(jì)算出主氣缸在門的一個往復(fù)行程中所需要消耗的額定工作壓力下的氣體體積。

由流體力學(xué)可知，等溫變化過程是指在氣體溫度保持不變的條件下，一定質(zhì)量氣體所進(jìn)行的狀態(tài)變化過程。當(dāng)氣體狀態(tài)變化很慢時，可視為等溫變化過程，如氣動系統(tǒng)中的氣缸慢速運(yùn)動、管道送氣過程等。

等溫過程狀態(tài)方程：

=

(7)

式中：為氣體壓力；為氣體體積；為常數(shù)。

由于氣缸所需額定壓力下的氣體為氣瓶提供，當(dāng)氣瓶供氣到最終狀態(tài)時氣瓶內(nèi)的氣體壓力至少為額定工作壓力。氣瓶內(nèi)初始充氣壓力為,由于氣動管路中氣體容積相對很小，在此忽略不計(jì)。參考等溫過程狀態(tài)方程可得：

=(+)

(8)

式中：為氣瓶充氣壓力；為氣瓶容積；為所需額定工作壓力下的應(yīng)急氣體體積。

將式(8)變換可得：

(9)

將已知量代入式(9)，即可獲得所需要的應(yīng)急氣瓶的體積參數(shù)，具體數(shù)據(jù)在此不予細(xì)述。

在以上設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)原理、參考標(biāo)準(zhǔn)氣動元件參數(shù)，同時使用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行實(shí)體建模設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化具體結(jié)構(gòu)，在此不予詳細(xì)描述。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

該系統(tǒng)通過了樣機(jī)試制和試驗(yàn)，同時使用程序控制進(jìn)行了50 000余次的往復(fù)動作試驗(yàn)，對該系統(tǒng)的功能性能和可靠性進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。在50 000次的反復(fù)試驗(yàn)中，除因在長時間試驗(yàn)過程中空氣壓縮機(jī)故障導(dǎo)致系統(tǒng)中間試驗(yàn)停止外，該系統(tǒng)未出現(xiàn)任何卡閥、泄漏等故障，試驗(yàn)結(jié)果良好。產(chǎn)品外觀如圖6所示。

圖6 產(chǎn)品外觀

5 結(jié)論

(1)為了獲得一個更加環(huán)保、安全和緊湊的移門驅(qū)動系統(tǒng)，本文作者開發(fā)了一種氣動驅(qū)動系統(tǒng)，通過詳細(xì)的設(shè)計(jì)和樣機(jī)制造及試驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的氣動驅(qū)動系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。

(2)目前市面上氣動閥件一般以獨(dú)立元件存在，不像液壓螺紋插裝閥可以很方便地集成在液壓閥塊里面。文中設(shè)計(jì)的氣動元件以插裝的方式集成在閥塊里，能夠較好地實(shí)現(xiàn)氣動系統(tǒng)的高集成性和高可靠性。

(3)該系統(tǒng)所有功能都經(jīng)過了實(shí)際的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果良好。截至目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)交付，得到了較好的社會效益。