开体式挖泥船液压缸及甲板铰链的设计分析

王荣成

【摘要】水运自古以来一直作为我国重要的交通运输手段，由于一些历史原因和人为因素，导致我国航运河道和入海口水域堵塞，随着我国旅游和外贸行业的兴起，河道淤塞已经在一定程度上对我国经济建设产生影响。本文通过对我国挖泥船的现状和前景进行分析，介绍液压缸及主要甲板铰链的设计方法，通过对液压缸力学原理的研究，结合现实需要，为开体式挖泥船的设计提供一些参考建议。

【关键词】液压缸；原理； 甲板铰链；开体泥驳；结构形式

一、我国挖泥船的现状分析

我国海岸线蜿蜒绵长，大陆内湖泊较多，水运自古以来一直作为我国重要的交通运输手段，由于一些历史原因和人为因素，导致我国航运河道和入海口水域堵塞，近几年我国进出口贸易和国内旅游业发展势头迅猛，这就对我国的航运河道、入海口水域提出了新的标准，虽然我国多次布置清淤疏浚工程来缓解淤塞现状，但由于工程量大效果有待提升，挖泥船作为清淤疏浚工程的前端设备，它的研发设计也因此备受关注。从1999年国家启动“江湖疏淤挖泥船制造”项目以来，我国挖泥船设计和研发能力得到快速发展，截止2008年年底，武昌船厂、江新船厂和镇江船厂等20家船舶制造厂已设计并建造14种船型、15个建造标的挖泥船50艘左右，形成颇为强大的清淤疏浚工程作业能力。

二、挖泥船的液压缸的工作原理

1、液压缸的定义

液压缸是通过将液压能转化成机械能，本质是做直线往复运动或摆动运动的液压执行元件。由于结构相对简单，一般液压缸的使用寿命较长。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比；

2、液压缸的结构

液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。缓冲装置与排气装置视具体应用场合而定，其他装置则必不可少。

3、液压缸的原理

液压传动原理：以油液作为工作介质，通过密封容积的变化来传递动能，经内部的压力来传导动力输出。分为四个部分：一是动力部分，是将原动机的机械能转换为油液的液压能。二是执行部分，是将液压泵输入的液压能转变为带动工作机构的机械动能。三是控制部分，是用来控制、调节油液的流量、压力和方向。四是辅助部分，是将动力、执行和控制连接成为一个系统，起到贮油、测量、过滤和密封等作用。通过相应体积的液体上的任意一点施加压力，能够大小相等地向各个方向传递.这意味着当使用多个液压缸时，每个液压缸将按各自的速度拉或推，而这些速度取决于移动负载所需的压力.

在液压缸承载能力范围相同的情况下，承载最小载荷的液压缸会首先移动，承载最大载荷的液压缸最后移动.

为使液压缸同步运动，以达到载荷在任一点以同一速度被顶升，一定要在系统中使用控制阀或同步顶升系统元件.

4、液压系统的组成

通过对液压原理分析，液压系统是根据原理组合而成，分为五个部分：一是动力装置，通过动力装置为液压系统压力，并将机械能转变为油液的压力能，从而推动整个液压系统工作；二是执行元件，执行元件一般为液压马达和液压缸两部分组成，通过将液体的压力能转变成机械能，提供驱动工作部件动力；三是控制调节装置，包括各种阀类，如压力阀、流量阀和方向阀等。用来控制液压系统的液体压力、流量（流速），和液流的方向，以保证执行元件完成预期的工作运动；四是辅助装置 指各种管接头、油管。油箱、过滤器和压力计等。它们起着连接、储油、过滤、储存压力能和测量油压等辅助作用，以保证液压系统可靠、稳定、持久地工作；五是工作介质是指在液压系统中，承受压力并传递压力的油液

三、开体式挖泥船的泥驳结构原理分析

1、开体泥驳力学原理

体泥驳的主船体由纵向对称的两个半体组成，通过泥舱顶部的主甲板铰链及泥舱底部的开体液压缸实现泥舱的打开及闭合，并利用舱内泥砂的自身重量达到自卸的目的。因而，合理确定泥舱的几何形状及泥砂的重量、重心位置与所受浮力及浮心位置的相互关系，不仅可以减少卸货过程中的摩擦阻力，提高卸货效率，还可以降低开体液压缸的推力，降低建造成本，提高经济效益。当泥舱装满泥砂时，泥驳半边重量为半个船体的空船重量加上半边泥舱所承载的泥砂重量之和，其重心位置位于半侧船体的浮心内侧，重力比浮力更靠近铰链轴心线，因而对船体产生向外打开的张开力矩，在这个张开力矩及舱底液压缸的推力作用下，船体将被打开抛泥。抛泥完成后，泥驳失去所载泥砂的重量，重心位置也相应调整，浮力应比重力更加靠近铰链轴心线，因此对船体产生向内的关闭力矩，在这个关闭力矩及舱底液压缸的拉力作用下实现船体的闭合。

2、開体液压缸及主甲板铰链受力计算

开体泥驳在满载航行过程中，两个半船体不能张开，这时需要货舱两端的液压缸提供一个拉力，以克服所载泥砂引起的张开力矩。另外在卸泥过程中，浮态发生剧烈变化，船体会产生大幅度的纵倾、横摇及突然上浮等情况，液压缸及主甲板铰链受到剧烈变化的外力作用。如何选取液压缸参数及确定主甲板铰链的形式、规格，是开体式挖泥船设计的重要内容。

3、相应的动力影响

挖泥船一般工作在沿海港口、开阔的锚地或近海区域，分析液压装置及甲板铰链上的受力时应考虑工作水域的海况等环境因素引起的动力响应，这个动力一般以动力系数的方式附加到受力计算中，动力系数的大小取决于工作地点离岸的远近及有义波高的影响。一般地在满载挖泥吃水状态下，在离岸15海里以内的区域，动力取静力的60%左右；而超过15海里的区域取静力的70%左右；另外在动力系数选取时，设计者要根据实际情况，考虑是否增加 15% 的海况储备。在本文实例的泥驳上，工作水域在离岸 15 海里左右，有义波高约为 2.5m ，液压装置上的动力取静力的67%。

四、液压缸铰链及主甲板铰链的结构形式

开体液压缸位于泥舱两端的液压缸舱内，通过液压缸铰链与主船体相连；主甲板铰链位于泥舱两端的主甲板上， 铰链座本体穿过主甲板与水密横舱壁相连，起着连接两个半船体的作用，主甲板铰链与液压缸铰链的结构型式相似，通常由两块侧向立板与一块中间眼板，通过中间销轴连接组成，在销轴与眼板之间设置转动轴承，将液压缸力及外力传递到船体上。轴承在选取时要注意其所能承受的静力及动力应大于作用在铰链上的力。

五、结束语

综上所述，开体式挖泥船上开体液压缸及主甲板铰链的受力分析应该分别从静力及动力两方面考虑。静力计算采用经验公式的直接计算法，通过计算不同装载工况下泥舱打开及闭合所需的液压缸力，得出作用在液压缸及主甲板铰链上的最大静力；作用在液压缸上的动力由于受风、浪、流等环境因素影响计算较为复杂，实船设计上通常依据长期的统计数据、大量的资料积累以及丰富的设计经验给出动力系数，附加到最大静力中，以此得出作用在液压缸及主甲板铰链上的最大总力。

参考文献：

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