滑道式救助艇收放装置液压系统设计与分析

(武汉理工大学 物流工程学院，武汉 430063)

滑道式救助艇收放装置一般采用液压驱动，并以船电为动力实现救助艇的正常收放[1]。如母船失去电力供应，救助艇收放装置将无法工作。为了保证母船因故障或遇险等极端情况下均能对救助艇实施手动降放，以使船员紧急撤离，文献[2]规定，当救助艇准备齐全，且处于满载或轻载状态时，施放该艇的收放装置不得依靠除重力或不依赖船舶动力的任何储存机械动力以外的任何方式；且要求救助艇施放装置持续处于准备使用状态，在不超过5 min的时间范围内即可降落。为此，有必要研制既能依靠船电供应实施救助艇正常收放，又能在母船失电时以储存的液压能为动力实现救助艇手动施放的收放装置液压系统。

1 救助艇收放装置的组成

救助艇收放装置设在母船的艉部，可供一艘救助艇在母船航行或停泊时实现纵向收放[3]，见图1。当施放救助艇时，乘员先在艇内就位，去掉固定艇的钢缆后，通过艉门液压缸4打开艉门开关1，使艉门6下放，然后使脱钩装置5快速脱开，救助艇靠重力快速自动下滑到水面。必要时，也可用液压马达13通过绞车使救助艇缓慢降放。

回收救助艇时，先通过艉门液压缸4使艉门6下放，救助艇以高于母艇的航速冲进滑道，由滑道前方的液压马达13通过绞车用钢缆将救助艇拉离水面，收到要求的位置后，快速脱钩挂住小艇，最后通过艉门液压缸使艉门收回。

1-艉门开关；2-液压系统；3-收放滑道；4-艉门液压缸；5-脱钩装置；6-艉门；7-艏部托座；8-固定绳；9-标志杆；10-强光方位灯；11-收放系统操纵台；12-艉门铰链；13-液压马达

图1船载小艇收放装置的结构

2 救助艇收放装置液压系统设计

救助艇收放装置液压系统具有以船电为动力的正常收放和母船失电后的手动施放两种功能，其液压原理见图2。

2.1 以船电为动力的正常收放

当母船处于完备状态，液压系统以船电为动力实施小艇正常收放时，先关断高压球阀9和21，再启动液压泵2，将液压泵的设定压力调定为18 MPa，电磁溢流阀4的设定压力调定为21 MPa。液压泵一方面向手动比例换向阀11和12的进油口供油，另一方面通过单向阀8向蓄能器6供油，使蓄能器储存一定的液压能源，以便母船失电后实现救助艇的手动施放。

操作手动比例换向阀12，使其处于右位工况，压力油经平衡阀22进入2台艉门液压缸18的无杆腔，活塞杆伸出，使艉门下放。当艉门下放至所要求的位置时，再使手动比例换向阀12处于中位，艉门液压缸在平衡阀22的作用下保持在下放位置不变。操作手动比例换向阀11，使其处于左位工况，压力油经梭阀13使制动器17打开，并使液压马达16旋转，使救助艇下放。平衡阀14能在液压马达16的回油路上产生背压，使救助艇降放速度平稳。当救助艇下放至水面后，再使手动比例换向阀11处于中位。

1-油箱； 2-液压泵；3、8、20-单向阀；4-电磁溢流阀；5-回油过滤器；6-蓄能器；7-安全阀组；9、21-高压球阀；10、19-调速阀；11、12-手动比例换向阀；13-梭阀；14、22-平衡阀；15-缓冲阀；16-液压马达；17-制动器；18-艉门液压缸

图2船载小艇收放装置液压系统原理示意

当收回小艇时，艉门处于下放的位置。小艇冲进艉滑道后，将小艇系上钢缆，使手动比例换向阀11处于右位工况，液压马达16通过绞车将救助艇收回。救助艇收回到位后，再使手动比例换向阀11处于中位，制动器17对液压马达制动。然后使手动比例换向阀12处于左位工况，艉门液压缸有杆腔进油，使艉门收回。

2.2 母船失电后的手动施放

如母船因故障或遇险等原因失去动力，小艇可依靠蓄能器中储存的液压能实现手动施放。图2中单向阀8为锥面密封，几乎无内泄，当小艇正常施放时，液压泵充入蓄能器6中的压力油能保持相当长的时间；并且液压泵每次启动都能向蓄能器自动充油，以补偿单向阀8等元件的内泄漏。

手动施放时，先打开高压球阀9和21，蓄能器排出的压力油经调速阀10进入艉门液压缸18的无杆腔；艉门液压缸18有杆腔的回油经调速阀19、单向阀20和高压球阀21又回流至无杆腔，从而实现艉门液压缸的差动连接，活塞杆伸出，艉门下放。当艉门下放至所要求的位置时，再关断高压球阀9和21，艉门液压缸18在平衡阀22的作用下保持在下放的位置不变。打开救助艇上的脱钩装置，救助艇在重力作用沿滑道下滑至水面上，从而实现了小艇在母船失电后的手动施放。调节调速阀19的通流面积，可调整艉门的降放速度。

2.3 液压系统的设计特点

为了使系统结构紧凑、操作方便，在设计时选用三联多路手动比例换向阀实现艉门锁液压缸、艉门液压缸以及液压马达的方向控制和速度调节。

1)在艉门液压缸的进回液路上设置了平衡阀，该阀的作用是在艉门收放时的回油路上产生背压，使艉门收放平稳，不受重力和浪涌的影响。此外，在施放救助艇时，液压马达的回油路上所设置的平衡阀也能起到平衡重力的作用，使救助艇降放平稳。

2)母船失电后的手动施放采用蓄能器为动力。由于每次以船电为动力对救助艇实施正常收放时，均能对蓄能器进行自动补油，而且蓄能器排油口处单向阀等元件的密封性好，因此，蓄能器能在相当长时间范围内保持手动实施所需的储存液压能，满足文献[2]的规定要求。

3)在手动施放时，将艉门液压缸设计成差动连接，能使蓄能器的总容积小，重量轻，减少母船的载重量。在艉门施放时艉门液压缸回油路上设置节流阀和单向阀，一方面能在回油路上产生背压，使艉门开启平稳，并不受浪涌的影响；另一方面能通过调节节流阀，调整艉门的开启速度。

3 手动施放液压回路性能分析

图1中艉门重量约为3 500 kg，艉门液压缸缸径D1=120 mm，活塞杆直径d1=85 mm，最大行程S1m=1 800 mm。图2中液压系统的设定压力为18 MPa，最大输出流量为22 L/min。在以船电为动力使小艇正常收放时，艉门液压缸为非差动连接，其有效面积较大；并且系统有足够的输出压力和流量使艉门液压缸及液压马达驱动其负载，使救助艇施放与回收时间满足要求。而在救助艇手动施放时，艉门液压缸为差动连接，蓄能器的总容量及其充气压力、各流量阀调节流量的设定均对艉门开启状态及开启时间有直接影响。因此，有必要对艉门开启时的负载特性及手动施放液压回路的性能进行分析。

3.1 艉门开启时的负载特性

艉门在开启过程中，艉门液压缸受艉门重力F1、两艉门液压缸及艉门开关摩擦力F2的作用，经实测，F1及F2与艉门旋转角度α及艉门液压缸行程S1的关系曲线见图3。

由图3可见，当艉门的旋转角度α小于15°(对应艉门液压缸的行程S1=300 mm)时，艉门重力对艉门液压缸的作用力F1为正值，即表示艉门液压缸所受艉门重力的作用为阻力负载(作用力的方向与艉门液压缸运动方向相反)；当艉门的旋转角度α为15°时，F1=0，艉门的重心正好位于图1艉门铰链的垂线上；当艉门的旋转角度α大于15°时，艉门重力对艉门液压缸的作用力F1为负值，即表示艉门液压缸所受艉门重力的作用为超越负载(作用力的方向与艉门液压缸运动方向相同)；当艉门的旋转角度α为90°时，即表示艉门已开启到所要求的位置(对应艉门液压缸的最大行程S1m=1 800 mm)。艉门液压缸及艉门开关的摩擦力F2随着艉门开启角度α或艉门液压缸行程S1的增加而增大。

由图3可得出艉门在开启过程中，艉门液压缸所受的总负载力F为

F=F1+F2

(1)

艉门液压缸所受总负载力F与艉门旋转角度α及艉门液压缸行程S1的关系如图3所示。

图3 艉门开启时的负载特性

3.2 蓄能器总容量的计算

1)采用差动联接时，2台艉门液压缸所需的油液容积ΔV1为

(2)

式中：n1——艉门液压缸的数量，n1=2。

2)蓄能器有效排液量ΔV′为

ΔV′=k1ΔV1=19.9 L

(3)

式中：k1——考虑液压缸、管路及管路上的各阀件泄漏时的系数，取k1=1.1。

3)将蓄能器的最低、最高工作压力pL、pH分别设定为5和18 MPa。蓄能器的充气压力为

p0=k2pL=4.5 MPa

(4)

式中：k2——系数，取k2=0.9。

蓄能器的总容积按下式计算[4]。

(5)

式中：n——气体多变指数，一般n=1.0～1.4，

取n=1.25[5]。

可选择总容积为V0=40 L的皮囊式蓄能器，该蓄能器所排出油液的有效容积ΔV为

(6)

3.3 液压回路性能分析

为了更方便地分析手动施放液压回路的性能，可将图1中涉及手动施放的液压元件及油路进行简化，简化后的液压原理见图4。

1-蓄能器；2、6-调速阀；3-平衡阀；4-高压球阀；5-单向阀；7、8-艉门液压缸

图4手动施放液压回路简化原理

1)流量阀的设定流量及艉门开启时间。由于救助艇在施放过程中，约需要不超过3 min的时间作小艇脱钩及人员准备等工作。为了使小艇施放时间不超过5 min，可将艉门开启时间t1定为2 min。图4中调速阀6的设定流量q3为

(7)

由于调速阀具有压力补偿功能，当其设定流量调定后，通过该阀的流量基本不受负载变化的影响。因此，可认为在艉门开启过程中流量q3不变，艉门开启时间t1=2 min。

2)艉门液压缸的运动速度。艉门液压缸活塞杆运动速度υ1按下式计算。

(8)

3)艉门液压缸无杆腔及有杆腔的油压。当图4中调速阀5的设定流量q3=9.04 L/min时，其压力损失Δp3≈2.5 MPa；单向阀5的压力损失Δp2=0.05 MPa。由图4可写出液压缸活塞及活塞杆的受力平衡方程为

(9)

式中：p2、p3——艉门液压缸无、有杆腔的油压，

p2=p1-Δp1，p3=p2+Δp2+Δp3。

由式(9)及图3，可得艉门液压缸无、有杆腔的油压p2、p3与行程S1的关系，见图5。

图5 艉门液压缸无杆腔及有杆腔的油压与行程的关系

由图5可见，当艉门开启时，艉门液压缸无杆腔及有杆腔的油压随其开启角度或艉门液压缸的行程变化而变化；艉门液压缸有杆腔的油压高于无杆腔的油压，其最大值为5.5 MPa，远低于艉门液压缸的额定工作压力。

4 结论

1)艉门手动施放装置液压系统采用蓄能器组作能源，在母船具有动力，救助艇每次正常收放过程中，均能向蓄能器组供液，以补偿蓄能器组的泄漏。由于手动施放装置液压系统中的单向阀、高压球阀和蓄能器安全阀组几乎无泄漏，因此，当收放装置每工作一次，蓄能器内压力油的容量及压力均能保持极长的时间，使救助艇手动施放装置持续处于准备使用状态。

2)艉门手动施放装置工作过程中，艉门液压缸的工作压力均不超过其额定工作压力，能保证了艉门液压缸的使用寿命。

3)艉门手动施放速度由调速阀调节。调速阀的压力补偿及流量可调节作用使艉门的施放速度不受负载的影响，速度稳定，可调节范围宽。

4)在艉门施放过程中，两艉门液压缸采用差动联接，且一直由蓄能器供给压力油，因此，两艉门液压缸产生的推力足以克服海水对艉门产生的浮力或浪涌对艉门产生的反推力，能保证艉门顺利施放，不会出现停滞和上抬等现象。

5)艉门手动施放装置液压系统结构简单，操作方便，可靠性高，使用寿命长，能满足救助艇安全快捷的施放和回收功能。

[1] 梁志祥.单滑道式快速收放系统在海事巡逻船上的应用[J].船海工程，2009，38(3)：167-168.

[2] 中华人民共和国海事局.船舶与海上设施法定检验规则[S].北京：人民交通出版社，2009.

[3] 金迎村，张建平，李祥宁，等.尾滑道式船载小艇收放系统的研发及应用[J].船舶工程，2005，27(6)：45-48.

[4] 李壮云，万会雄，贺小峰，等.液压元件与系统[M].北京：机械工业出版社，2005.

[5] 吴晓元，陈忠基，王世东.气囊式蓄能器气体多变指数值域的研究[J].鞍山科技大学学报，2003，26(3)：204-206.