舱口盖滚轮腾空对舱口盖中间铰链和主铰链的影响

辛黎明，王 帅，郭 瑞

（上海华润大东船务工程有限公司，上海 202155）

舱口盖滚轮腾空对舱口盖中间铰链和主铰链的影响

辛黎明，王 帅，郭 瑞

（上海华润大东船务工程有限公司，上海 202155）

文章就某船液压油缸驱动折叠式舱口盖滚轮腾空的现象，讨论了其产生的原因，对舱口盖铰链和开舱液压油缸进行了力学计算，并对计算值作了一定的分析。

舱口盖；滚轮；腾空；液压油缸

0 引言

某货船的折叠式舱口盖[1]左前滚轮在开舱过程中发生了腾空现象，开启过程中铰链有响声出现，进一步检查发现该轮在打开舱口盖过程中，主铰链与铰链座的连接板伸长量不同，左侧的主铰链处连接板的孔呈椭圆形。

1 机构的组成及结构特点

该开舱机构由下列零部件组成：后舱口盖、前舱口盖、中间铰链、滚轮、主铰链、连接板、开舱油缸、舱口盖轨道等组成，如图1中的实线所示。

图1 舱口盖示意图

其结构特点有：

1）前、后舱口盖之间采用铰链连接，前、后铰链座分别与舱口盖焊接而连接成一体，并通过钢制销轴和铜轴承的间隙配合进行连接；

2）后舱口盖通过中间连接板与船体甲板连接。它们的连接铰链同样是销轴与铰链孔。开舱油缸与后舱口盖为铰链连接，油缸的活塞杆连接头和缸体的铰链座均采用调心滚子轴承；

3）滚轮在前舱口盖的前端左右两侧各一个，用于支撑舱口盖的重量，并通过滚轮使得舱口盖沿着轨道行走。

2 运动状态分析

2.1 开舱系统及其运动分析

该系统的机构运动简图如图1实线可知，舱口盖在开舱油缸活塞杆的作用下，将后舱口盖顶起，使之绕连接板处的主铰链转动，同时通过中间铰链带动前舱口盖一边绕中间铰链转动，一边拖着滚轮沿着轨道滚动，当开舱油缸达到最大工作行程时，后舱口盖呈竖直状态，在中间铰链的带动下，前舱口盖也近似达到竖直状态，而且其前端的滚轮始终支撑在轨道上。

2.2 异常状态时的运动状态分析

当舱口盖一侧的连接板孔距因异常磨损而发生变化后，舱口盖将发生扭转，如图1虚线所示，此时左侧的开舱油缸顶出距离因连接板孔距变化而比右侧的多ΔL，这就造成后舱口盖左侧高于右侧，由于左连接板伸长了ΔL，根据线性比例关系，左侧的舱口盖边缘将比右侧的高，又由于中间铰链的间隙较小，所以使得后和前舱口盖同样出现左侧的舱口盖边缘将比右侧的高，整个舱口盖发生了向右侧倾斜，最后引起了左滚轮腾空现象，造成了前舱口盖受力的不均匀。该舱口盖组在滚轮腾空时为7点受力状态，即后舱口盖左和右主铰链处的拉力、后舱口盖左和右开舱油缸处的顶升力、右侧前舱口盖滚轮的支撑力，以及后和前舱口盖的重量。根据液压系统的工作原理、特点和帕斯卡原理，“在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传递到液压内各点”。即系统内的液压压力处处相等[2]，当左右两侧的液压油缸结构完全一致时，油缸的推力相同。由于前舱口盖的力分布不均匀，使得中间铰链和主铰链的受力出现不等。

3 受力计算

假设：1）前、后舱口盖的结构尺寸相同，重量也相同，均为2W；2）舱口盖开启一定角度后在水平方向上的投影长度也一致，为2L1；3）仅考虑液压油缸垂直向上的推力；4）前、后舱口盖在开启过程中的转动角度相同。

现对开舱时液压油缸的顶升力、主铰链所受的拉力、中间铰链的相互作用力、滚轮的支撑力和舱口盖重量作为受到的力进行分析计算。

3.1 正常状态下舱口盖的受力情况

根据结构分析可知，舱口盖的左右为对称结构，故左右单侧的前、后舱口盖、滚轮、顶升油缸和主铰链的受力状态简化如图2所示。

图2 舱口盖受力示意图

根据结构力学[3]对于铰接而成的构件组分析计算，其平衡条件可得：

1）对前舱口盖

解得：RA=W/2，R1=W/2

2）对于后舱口盖

式中：RA为A点处滚轮的支反力；2W为前舱口盖或后舱口盖的重量；R1为D点处后舱口盖对前舱口盖的支反力；R2为D点处前舱口盖对后舱口盖的支反力；T0为C点处开舱油缸的顶升力；P0为B点处主铰链所受的拉力。

3.2 连接板孔距变化引起的舱口盖受力情况

当舱口盖主铰链的连接板孔距变大后，造成了左前滚轮的腾空，前、后舱口盖在开舱时的滚动轨迹发生变化，而且其各个连接部位的受力状态将随之改变。

1）前舱口盖受力示意分析：因后、前舱口盖的重量均为2W，则根据结构分析，前舱口盖、滚轮和中间铰链的受力状况如下图3中的实线所示（此处仅对前舱口盖），并建立以右前滚轮为基点的直角坐标系。

图3 前舱口盖受力示意图

根据结构力学[3]的平衡条件可得：

对于前舱口盖：

式中：RZ为前舱口盖滚轮处的支反力；2W为前舱口盖或后舱口盖的重量；R3为右侧中间铰链处后舱口盖对前舱口盖的支反力；R4为左侧中间铰链处后舱口盖对前舱口盖的支反力；B1为右侧舱口盖边缘至中间铰链的距离；B2为两个中间铰链之间的距离；

2）后舱口盖受力示意分析：因前后舱口盖的重量仍均为2W，则根据结构分析，中间铰链，后舱口盖，顶升油缸和主铰链的受力如下图4实线所示。

图4 后舱口盖受力示意图

并建立以后舱口盖的右前点为基点的直角坐标系。根据结构力学[3]的平衡条件可得：

式中：T为C点处开舱油缸的顶升力；P1为右侧主铰链所受的拉力；P2为左侧主铰链所受的拉力；R5为右侧中间铰链处前舱口盖对后舱口盖的支反力，其值等于R3，方向向上；R6为左侧中间铰链处前舱口盖对后舱口盖的支反力，其值等于R4，方向向下；C1为右侧舱口盖边缘至主铰链的距离；C2为两个主铰链之间的距离。

4 受力分析

从舱口盖的结构可知，两个中间铰链间的距离B2大于右侧舱口盖边缘至中间铰链的距离 B1，且B2与两个顶升油缸之间的距离C2相近，而B1与右侧舱口盖边缘至主铰链的距离 C1也相近。所以认为：C1≈B1，C2≈B2。

1）主铰链处的拉力P1和P2均可简化为：

在正常状态下，主铰链所受到的拉力为：

因而，上式的P1和P2可写成：

2）中间铰链处的力R5和R6可与理想状态下的力R2在数值变化为：

所以，当本文所讨论的开舱机构的左侧主铰链的连接板因孔中心距变大而引起整个舱口盖发生侧倾，并进而导致了主铰链和中间铰链等处的受力状态发生了变化，其变化如下：

5 实例分析

某轮的舱口盖尺寸为：前、后舱口盖长度：5238mm，总宽度18300mm，C1=3600；C2=11100，B1=C1，B2=C2，后舱口盖边到顶升油缸中心的距离为 400mm，顶升油缸中心到主铰链的距离为800mm。设某一时刻舱口盖的开启角度为θ°。

1）对于主铰链

（1）理想状态下主铰链的受力为：

（2）舱口盖发生腾空后力的变化值为：

（3）左侧主铰链所受的力变化百分比为：

对于中间铰链：

（1）理想状态下主铰链的受力为：R1=R2=0.5W

（2）舱口盖发生腾空后受力的变化值为：

Influence of Rolling Wheel Empty out on Intermediate Hinge and Main Hinge

Xin Li-ming,Wang Shuai,Guo Rui

(Shanghai Huarun Dadong Dockyard Co.,Ltd.,Shanghai 202155,China)

Based on the rolling wheel emptying out of the hatch cover of hydraulic driven folding type,the paper discusses the cause and makes the mechanical calculation for the hatch cover hinge and the hydraulic cylinder.The analysis is made for the calculation result.

hatch cover; rolling wheel; empty out; hydraulic cylinder

U661.4

A

10.14141/j.31-1981.2015.06.013

辛黎明（1965-），男，高级工程师，研究方向：船舶轮机修理。