艉滑道式小艇收放装置液压系统的设计与分析

刘 辉 赵远征 严 军

1中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064 2海军装备部舰船办，北京100071

艉滑道式小艇收放装置液压系统的设计与分析

刘 辉1赵远征2严 军1

1中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064 2海军装备部舰船办，北京100071

为实现小艇安全快捷地收放，以执行水面作业、海上人命救生和遇难船舶施救等任务，设计了一种艉滑道式小艇收放装置液压系统，并对艉门负载特性以及手动释放液压回路的性能进行了分析。所设计的系统具有以船电为动力的正常收放和母船失电后的手动释放两种功能，能够满足2009年9月新版《船舶与海上设施法定检验规则》的规定，具有功能齐全、放艇快捷及安全可靠等特点。

小艇；收放装置；液压系统；手动释放

0 引 言

小艇是船舶的法定安全设备。小艇收放装置能将小艇和人员降放至水面，以执行水面作业、海上人命救生及遇难船舶的施救等工作，在任务完成后，还要将小艇和人员顺利回收至母船［1］。因此，小艇收放装置对于小艇安全迅速地降放和回收、提高工作效率、争取救援时间、最大限度地减少人员伤亡和财产损失具有重要作用。

由于船用吊机和吊艇架等传统小艇收放装置存在速度慢、费时长、受海况环境影响大和安全性能不高等缺点，因而不符合海事船舶搜巡救助一体化的需要［2］。近年来，所发展的艉滑道式小艇收放装置以其收放简便快捷、安全可靠，能在较高的海情下工作等优点，得到了广大船舶用户的认可，具有良好的发展前景和应用价值。

目前，艉滑道式小艇收放装置均采用液压驱动，并以船电为动力来实现小艇的正常收放，但若母船失去电力供应，小艇收放装置将无法工作。为了保证在母船因故障或遇险等极端情况下，还能对小艇实施手动降放，以使船员紧急撤离，2009年9月新版的《船舶与海上设施法定检验规则》［3］规定，当小艇（或救助艇）准备齐全，且处于满载或轻载状态时，释放该小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。此外，还要求小艇释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。由此可见，原先设计的依靠母船电力供应的小艇收放装置已不能满足上述规定。因此，当务之急是要研制出一种既能依靠船电供应来实施小艇的正常收放，又能在母船失电时以储存的液压能为动力来实现小艇手动释放的收放装置液压系统。

1 收放装置的结构原理

如图1所示，小艇收放装置由艉门1、收放滑道2、艉门锁液压缸5、艉门开关6、艉门液压缸8、液压系统9、液压马达11、脱钩装置12等部件组成［4］。该小艇收放装置可在母船中速航行时对小艇进行释放和回收。释放小艇时，当小艇乘员在艇内就位后，去掉固定艇的钢缆，通过液压系统使艉门锁液压缸5开启，艉门液压缸8通过艉门开关6使艉门1下放，然后使脱钩装置12快速脱开，小艇靠重力快速自动下滑到水面上。必要时，也可用液压马达11通过绞车使小艇缓慢降放。

1—艉门 2—收放滑道 3—标志杆4—强光方位灯 5—艉门锁液压缸 6—艉门开关7—艉门铰链 8—艉门液压缸 9—液压系统10—收放系统操纵台 11—液压马达 12—脱钩装置13—固定绳 14—艏部托座

回收小艇时，先通过艉门液压缸8使艉门1下放，小艇以高于母船的航速冲进艉滑道，由滑道前方的液压马达11通过绞车用钢缆将小艇拉离水面，在收至要求的位置后，快速脱钩挂住小艇，然后再由艉门锁液压缸5可靠固定，最后通过艉门液压缸8使艉门1回收。

2 收放装置液压系统设计

收放装置液压系统是实施小艇快速收放的关键设备。根据2009年9月新版《船舶与海上设施法定检验规则》的规定，所设计的小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释放两种功能，其液压原理如图2所示。

图2 船载小艇收放装置液压系统原理图Fig.2 The hydraulic system principle of launch and retrieval device for the ship's boat

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的正常收放时，应关断高压球阀8，21和31（图2），然后启动电动机1，将液压泵2的设定压力调定为18 MPa，电磁溢流阀14的设定压力调定为21 MPa。而液压泵在向手动比例换向阀17，18和19的进油口供油的同时，也通过单向阀13向蓄能器12供油，使蓄能器储存一定的液压能源，以便母船失电后可实现小艇的手动释放。

操作手动比例换向阀19，使其处于上位工况，液压油进入2台艉门锁液压缸33的有杆腔，艉门锁打开。艉门锁打开后，再使手动比例换向阀19处于中位，艉门锁液压缸在液压锁34的作用下锁定在打开位置。操作手动比例换向阀18，使其处于上位工况，压力油经抗衡阀32进入2台艉门液压缸30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后，再使手动比例换向阀18处于中位，艉门液压缸在抗衡阀32的作用下保持在下放位置不变。操作手动比例换向阀17，使其处于上位工况，压力油经梭阀22使制动器26打开，并使液压马达25旋转，使小艇下放。平衡阀23能在液压马达25的回油路上产生背压，以使小艇的降放速度平稳。当小艇下放至水面后，再使手动比例换向阀17处于中位。

当收回小艇时，艉门处于下放位置。在小艇冲进艉滑道后，将小艇系上钢缆，使手动比例换向阀17处于下位工况，液压马达25通过绞车将小艇收回。小艇收回到位后，使手动比例换向阀17处于中位，制动器26对液压马达制动。然后，再使手动比例换向阀18处于下位工况，艉门液压缸30有杆腔进油，使艉门收回。艉门收回到位后，再使手动比例换向阀18处于中位、手动比例换向阀19处于下位工况，压力油进入艉门锁液压缸33的无杆腔，从而锁紧艉门。

2.2 母船失电后的手动释放

如果母船因故障或遇险等原因失去了动力，小艇可依靠蓄能器中储存的液压来实现手动释放。由于单向阀13为锥面密封，几乎无内泄，因此当小艇正常释放时，液压泵2充入蓄能器12中的压力油能够保持相当长的时间。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13等元件的内泄漏。

进行手动释放时，先打开高压球阀8，21和31，蓄能器排出的压力油经节流阀9进入手动比例换向阀的进油口。操作手动比例换向阀19，使其处于上位工况，艉门锁打开。艉门锁打开后，再使手动比例换向阀19处于中位，艉门锁液压缸在液压锁34的作用下，锁定在打开位置。

操作手动比例换向阀18，使其处于上位工况，压力油经抗衡阀32进入2台艉门液压缸30的无杆腔，艉门液压缸30有杆腔的回油经高压球阀31、调速阀29和单向阀28又回流至无杆腔，从而实现艉门液压缸的差动连接，此时，活塞杆伸出，艉门下放。在艉门下放至所要求的位置后，再使手动比例换向阀18处于中位，艉门液压缸在单向阀28和抗衡阀32的作用下保持在下放位置不变。打开小艇上的脱钩装置，小艇在重力的作用下沿滑槽降放至水面，从而实现小艇在母船失电后的手动释放。通过调节调速阀29的通流面积，可调整艉门的降放速度。如果要求艉门的降放速度加快，而蓄能器供油又不充分，艉门在降放过程中可通过吸入阀27、高压球阀21从油箱11中吸油，以防止艉门液压缸吸空而出现振动和噪声。

2.3 液压系统的设计特点

1）液压系统中选用的液压泵为压力—流量型轴向柱塞泵，一方面，能使液压泵的供油压力恒定，另一方面，液压泵的输出流量与各液压缸或液压马达所需要的流量匹配，功率损失小，效率较高。

2）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来实现艉门锁液压缸、艉门液压缸以及液压马达的方向控制和速度调节。

3）在艉门锁液压缸的进回油路上设置了液压锁，从而能保证在艉门开启时，艉门锁处于完全打开的位置，在艉门回收时，能将艉门可靠锁紧。在艉门液压缸的进回液路上，设置了抗衡阀，该阀的作用是在艉门收放时的回油路上产生背压，从而使艉门收放平稳，不受重力和浪涌的影响。此外，在释放小艇时，在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，并使小艇降放平稳。

4）母船失电后的手动释放采用蓄能器为动力。由于每次以船电为动力对小艇实施正常收放时均能对蓄能器实现自动补油，而且蓄能器排油口处单向阀等元件的密封性好，因此，蓄能器能在相当长的时间范围内保持手动实施所需的储存液压能，从而满足新版《船舶与海上设施法定检验规则》的规定要求。

5）在手动释放时，将艉门液压缸设计成差动连接，这样不仅可以使蓄能器的总容积小、重量轻，而且还可减少母船的载重量。在艉门释放时，艉门液压缸回油路上设置有节流阀和单向阀，进油路上并联有吸入阀，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来调整艉门的开启速度，并防止艉门液压缸吸空。

3 手动释放液压回路性能分析

图1中，艉门重量约为3 300 kg，艉门液压缸缸径D1＝125 mm，活塞杆直径d1＝80 mm，最大行程S1m＝1 800 mm；艉门锁液压缸缸径D2＝32 mm，活塞杆直径d2＝20 mm，行程S2m＝30 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得艉门液压缸、艉门锁液压缸及液压马达驱动其负载，从而使液压锁开闭、艉门收放以及小艇的释放与回收时间均能满足要求。而在小艇手动释放时，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的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释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，艉门液压缸会承受艉门重力F1，以及两艉门液压缸和艉门开关摩擦力F2的作用。经实测，F1，F2及F（F为艉门液压缸所受的总负载力）与艉门旋转角度α及艉门液压缸行程S1的关系曲线如图3所示。

图3 艉门开启时的负载特性Fig.3 Load characteristics in the opening process of stern gate

由图3可见，当艉门的旋转角度α＜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的运动方向相反）；当艉门的旋转角度α=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＞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的运动方向相同）；当艉门的旋转角度α=90°时，即表示艉门已开启至所要求的位置（对应艉门液压缸的最大行程S1m＝1 800 mm）。艉门液压缸和艉门开关的摩擦力F2是随艉门开启角度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：

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（L）按下式计算：

式中，n1为艉门液压缸的数量，n1＝2。

2）打开2台艉门锁液压缸所需的油液容积ΔV2（L）按下式计算：

式中，n2为艉门锁液压缸的数量，n2＝2。

3）蓄能器的有效排液量 ΔV′（L）为［5］：

式中，k1为考虑液压缸、管路及管路上的各阀件泄漏时的系数，取k1＝1.1。

4）蓄能器总容积的确定［6］。

将蓄能器最低工作压力p1设定为5 MPa，最高工作压力p2设定为18 MPa。蓄能器的充气压力（MPa）为：

式中，k2为系数，取k2＝ 0.09。

蓄能器的总容积V0′（L）按下式计算：

式中，n为气体多变指数，n=1～1.4，取n=1.25。

根据以上计算，可选择总容积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（L）为：

3.3 液压回路性能分析

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

3.3.1 流量阀的设定流量及艉门开启时间

由于小艇在释放过程中约需要不超过3 min的时间为小艇脱钩及人员做准备工作，因此，为使小艇释放时间不超过5 min，可将艉门开启时间t1定为2 min。因此，图4中调速阀9的设定流量q3（L/mm）按下式计算：

1—蓄能器 2—节流阀 3—抗衡阀4—油箱 5，7—高压球阀 6，8—单向阀9—调速阀 10，11—艉门液压缸

由于调速阀具有压力补偿功能，当其设定的流量调定后，通过该阀的流量便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。

为了减小艉门液压缸有杆腔的背压，图4中节流阀2的设定流量q1应略小于调速阀9的设定流量q3。因此，2台艉门锁液压缸的开启时间t2（min）可按下式计算：

根据式（8）和式（9），便可计算出艉门开启时间t（min）。

3.3.2 艉门液压缸及艉门锁液压缸活塞杆的运动速度

艉门液压缸活塞杆的运动速度υ1（m/s）及艉门锁液压缸活塞杆的运动速度υ2（m/s）分别按式（11）和式（12）计算。

3.3.3 艉门液压缸无杆腔及有杆腔的油压

图4中，单向阀8的压力损失Δp4＝0.05 MPa；当调速阀9的设定流量q3=9.04 L/min时，其压力损失 Δp3≈ 2.5 MPa［7］。由于抗衡阀 3的设定压力为3 MPa，因此，当艉门液压缸差动连接时，艉门液压缸有杆腔的压力油不能通过抗衡阀3回油箱。由图4可写出液压缸活塞杆的受力平衡方程为：

式中，p3为艉门液压缸无杆腔的油压；p4为艉门液压缸有杆腔的油压，p4=p3+Δp3+Δp4。

由式（13）及图3可拟合出艉门液压缸无杆腔的油压 p3及有杆腔的油压 p4与艉门开启角度α及艉门液压缸行程S1的关系曲线，如图5所示。

图5 艉门开启时艉门液压缸无杆腔及有杆腔油压变化曲线Fig.5 Pressure curves in non-rod cavity and rod cavity of the cylinder in the opening process of stern gate

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是随其开启角度及艉门液压缸行程的变化而变化。艉门液压缸有杆腔的油压要高于无杆腔的油压，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 语

本文所设计的小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释放两种功能。当以船电为动力对小艇正常收放时，系统具有足够的输出压力和流量用以完成收放任务，同时还通过向蓄能器充油，使蓄能器持久储存一定的液压能。当母船失电后手动释放小艇时，便可以蓄能器所储存的液压能为动力，艉门液压缸采用差动连接，以减小蓄能器的总容积和重量。通过对小艇手动释放液压回路的性能分析可知，艉门的降放时间不超过2 min，若包含小艇脱钩及人员准备时间（不超过3 min），则小艇释放时间不超过5 min，很好地满足了新版《船舶与海上设施法定检验规则》的规定要求，且艉门液压缸的工作压力不超过5.5 MPa，保证了艉门液压缸的使用寿命。所设计的小艇收放装置液压系统具有结构简单、操作方便、可靠性高及使用寿命长等特点，其对于小艇安全快捷地释放，使其顺利完成任务具有重要作用。

［1］蒋余良，眭国忠.高海况下小艇收放装置的技术与发展探讨［J］.江苏船舶，2008，25（6）：12-14.

JIANG Y L，SUI G Z.Technic and development discussion on small craft releasing device in high sea condition［J］.Jiangsu Ship，2008，25（6）：12-14.

［2］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.

LIANG Z X.Application of the rapid single-launchingway derrick in the maritime patrol boat［J］.Ship and Ocean Engineering，2009，38（3）：167-168.

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

［4］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.

JIN Y C，ZHANG J P，LI X N，et al.R＆D of sternslipway launch and retrieval system for daughter-boat and its application［J］.Ship Engineering，2005，27（6）：45-48.

［5］李壮云.液压、气动与液力工程手册（上册）［M］.北京：电子工业出版社，2008.

［6］万会雄，明仁雄.液压与气压传动［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［7］北京华德液压工业集团有限责任公司.华德液压阀样本［S］.北京：北京华德液压工业集团有限责任公司，2005.

Hydraulic System Design and Analysis of Stern-Slipway Launch and Retrieval Device for Ship's Boat

LIU Hui1ZHAO Yuan-zheng2YAN Jun1

1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China 2 Ship Office，Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100071，China

In order to launch and recover boat safely and quickly for mission such as surface operations，rescuing marine life and vessels in distress，designing the hydraulic system of stern-slipway launch and re⁃trieval device，and the load characteristics of stern gate and the performance of manual release hydraulic circuit were analyzed.The proposed system has two functions，namely normal retractable driven by elec⁃tricity and manual release when mother ship loses its power.And the system can meet the requirements of the September 2009 edition of“The Rules of Statutory Inspection for Ships and Marine Facilities”，and has several features，such as multiple functions，quick operation，safety and reliability.

boat；launch and retrieval device；hydraulic system；manual release

U664.8

A

1673－3185（2012）03－68－06

10.3969/j.issn.1673－3185.2012.03.013

2010－07－14

刘 辉（1971－），男，硕士，高级工程师。研究方向：船舶系统。E⁃mail：l10925＠163.com

赵远征（1978－），男，硕士，工程师。研究方向：舰船机械。E⁃mail：13401066475＠139.com

刘 辉。

［责任编辑：饶亦楠］