節流孔板在船舶艙蓋頂升系統中的應用

摘要：頂升側移式艙蓋結構簡單，操作便利，廣泛應用于各型散貨船，但散貨船復雜惡劣的工作環境經常會對艙蓋運行造成損壞。文章對某型20.8萬噸散貨船艙蓋頂升時卡死，導致艙蓋無法打開的原因進行了分析，根據故障原因提出在液壓頂升回路中設置節流孔板的方案，利用其節流調速原理增加油缸頂升的同步性。闡述了節流孔板的型式選擇及孔徑的計算方法，解決了艙蓋頂升系統不同步導致艙蓋卡死，無法打開的問題，增強了艙蓋使用的可靠性。

關鍵詞：散貨船；艙蓋；頂升系統；節流孔板

中圖分類號：U664.5文獻標志碼：A

0引言

20.8萬噸散貨船是南通中遠海運川崎船舶工程有限公司開發的一款Newcastlemax型貨船。該輪為單機單漿船，直船艏、方艉、居住艙室、駕駛室及機艙位于尾部［1］。全船設有9個貨倉，適于裝載礦砂、谷物等散貨。艙口蓋為電動液壓頂升側移式。20.8萬噸散貨船總布置圖，如圖1所示。

艙口蓋是現代船舶的重要設備，它的主要作用是封閉貨艙口，保護貨艙內的貨物不受風浪的侵蝕，同時，打開艙口蓋時，可以對貨物進行裝卸作業。艙口蓋質量的好壞，影響著船舶的使用壽命、貨物的安全。本輪采用的是雙邊側移式風雨密艙口蓋，每個艙蓋包括兩片蓋板，在船體中心線處形成縱向接縫。每片蓋板有4個滾輪，可以在艙口圍上表面的導軌上行走。艙蓋開啟時，先由8個頂升油缸將艙蓋抬升135mm至滾輪軌道面，使艙蓋的密封條和艙口圍的不銹鋼壓條脫離，再依靠每艙左舷的液壓馬達，通過循環鏈條系統，將蓋板開啟并收藏到相應的舷側。艙蓋典型布置及開合位置，如圖2所示。

1故障分析及處理

該輪交付后，主要運營中國西非航線，從事鋁土礦的運輸。從船東反饋中得知，在幾內亞港裝卸貨時，多次出現頂升油缸工作不同步，艙蓋中間的油缸頂升較慢，艙蓋兩側的油缸頂升較快，艙蓋開啟不順暢。特別是2號貨艙和6號貨艙的表現更為明顯，兩側的頂升油缸已升至頂端，中間的頂升油缸仍未動作，導致艙蓋在中間限位處卡死，不能打開。同時，卡死造成艙蓋中間限位、中縫邊緣、艙蓋四角下緣等處的油漆破損。作為應急方法，船員現場采取分步頂升，先頂起，落下一半，再頂起，再落下一點，再頂起，用淡水沖洗艙蓋降溫，避免中午開艙等手段，最終打開了艙蓋。但隱患仍然存在，船東擔心會對艙蓋造成進一步的損害，例如艙蓋整體變形、局部結構損傷、西澳裝鐵礦產生“怠時”、液壓管爆裂等。因此，需要從設計根源上解決問題。艙蓋頂升油缸布置及液壓系統，如圖3所示。

調查發現，艙蓋在船寬方向上結構不對稱，由于中間接縫處蓋板只有前后兩端支撐，懸空跨度大，而兩側蓋板可以通過前后兩端和側面支撐，因此艙蓋蓋板呈明顯的梯形走向，中間高，兩側矮，從而導致兩側質量小，中間質量大。同時2艙位于船首，需承受甲板上浪的作用力，6艙作為風暴壓載艙，需承受內部壓載水沖擊，艙蓋結構都進行了大幅加強。因此2/6艙也是全船最重的艙蓋，造成2/6艙頂升不同步現象更為嚴重。

計測發現，當艙蓋泵單元啟動后，管路中的高壓油壓力由0開始升高。當壓力達到11.9MPa時，艙蓋兩側頂升油缸即開始頂升，中間的油缸未動。當壓力繼續上升到11.9～14.4MPa時，兩側的油缸加速上升，而中間的油缸仍然不動。當管路壓力大于14.4MPa時，中間的油缸才開始動作。通過分析可知，在整個上升過程中，兩側油缸受到的負載小于中間的油缸，而油缸的頂升推力相同，兩側油缸的頂升加速度始終大于中間的油缸，不同步的現象會越來越嚴重。由于兩側頂升油缸先啟動而中間頂升油缸后啟動，會造成整個艙蓋朝船舯艙蓋接縫處扭轉，加上熱帶港口天氣炎熱造成的艙蓋變形，極端情況下扭轉會造成艙蓋與中間限位卡死，出現兩側油缸頂升到位而中間油缸頂不起來的情況。艙蓋在中間限位處扭轉示意圖，如圖4所示。

鑒于液壓油總是向阻力最小的方向運動這一特性，從泵單元和頂升油缸方面改進并無太大效果，而且會顯著增加成本，因此計劃引入速度控制回路。對于液壓油缸回路來說，假設輸入液壓油缸的流量為q，液壓缸的有效面積為A，則液壓缸的運動速度為：

因此，改變輸入液壓油缸的流量，可以達到改變速度的目的。具體方法有節流調速、容積調速、容積節流調速3種。節流調速是采用定量泵供油，由流量閥改變進入執行元件的流量以實現調速；容積調速是采用變量泵或變量馬達實現調速；而容積節流調速則采用變量泵和流量閥聯合調速。比較可知，在定量液壓泵供油的液壓系統中安裝流量閥，調節進入液壓缸的油液流量，是結構最簡單的回路，成本低，使用維修方便，十分適合艙蓋液壓系統使用。根據流量閥在油路中安裝位置的不同，又分為進油路節流調速、回油路節流調速、旁通油路節流調速等形式。結合艙蓋液壓系統的特點，選擇了進油路節流調速回路［2］。圖5為艙蓋千斤頂進油路節流調速回路。

2節流孔板設計方案

考慮到艙蓋頂升系統工況單一，節流閥無需可調功能，因此選擇成本較低的節流孔板設計。其節流原理是通過節流口過流斷面面積的變化達到改變壓力的目的，通常有薄壁小孔和細長小孔，實際應用中，薄壁小孔常用于節流，而細長孔常用于阻尼孔，因此選擇薄壁小孔形式［3］。液體通過薄壁小孔示意圖，如圖6所示。

3加工及安裝方案

由于節流孔板孔徑較小，且散貨船上工作環境惡劣，可能造成節流孔堵塞的情況。因此決定采用不銹鋼材質，同時考慮到后續拆裝清洗維護方便，將節流孔板安裝在頂升油缸進油口內，頂升油缸進油口節流孔板如圖7所示。

根據頂升油缸進油口結構形式，確定節流孔板外直徑為36mm，厚度為12mm，這樣可以保證增加節流孔板后，不影響原液壓軟管的連接及密封性。加工完成的節流孔板如圖8所示。

全船共計9個艙，每艙8個頂升油缸，因此共需72個節流孔板。將加工完成的節流孔板送到船上后，在船員協助下，將艙蓋移動到關閉位置。此時頂升油缸位于行程底部，頂升油缸內無多余液壓油。關閉液壓管路進出口閥門，將液壓軟管拆下，然后將節流孔板放入頂升油缸進油口處，隨后將液壓軟管復位，完成改造安裝。

4使用效果

艙蓋頂升系統增加節流孔板后，使用效果如下：

（1）安裝完成后，立刻進行了開關艙試驗，頂升油缸同步性明顯提升。

（2）跟蹤多個航次后，船東確認在各個港口裝卸貨，沒有再發生艙蓋卡死無法開啟的現象。

（3）避免了艙蓋頂升不同步卡死造成的艙蓋中間限位、中縫邊緣、艙蓋四角下緣等處的油漆破損。

（4）同時，避免了可能的進一步損害，如艙蓋整體變形、局部結構損傷、西澳裝鐵礦產生“怠時”、液壓管爆裂等。

實踐證明，增加節流孔板的思路和孔徑計算的方法是準確有效的。

5結語

在試驗船成功實踐后，已將節流孔板在艙蓋頂升系統中的應用作為標準設計推廣。在船舶艙蓋頂升系統中應用節流孔板，加工安裝方便，成本不高，但順利解決了頂升油缸工作不同步的問題，避免了艙蓋與限位卡死導致無法開啟，減少了船員操作難題和維護工作，增加了船東滿意度，是一次成功的改進。船舶舾裝設計種類繁雜，經常會遇到各種問題，需要設計人員開拓思路，不斷改進，促進舾裝設計的不斷發展。

參考文獻

［1］李鋒，周學軍.20.9萬噸散貨船主要外舾裝設計［J］.江蘇科技信息，2015（3）：58-60.

［2］中國船舶工業集團公司，中國船舶重工集團公司，中國造船工程學會.船舶設計實用手冊-舾裝分冊［M］.3版.北京：國防工業出版社，2013.

［3］趙國華，楊燕飛.高壓水節流孔板設計改進［J］.昆鋼科技，2005（2）：14-16.

（編輯：姚鑫）