船舶靠泊防撞装置结构设计

田玉芹

(青岛黄海学院, 山东 青岛 266427)



船舶靠泊防撞装置结构设计

田玉芹

(青岛黄海学院, 山东 青岛 266427)

为提高船舶靠泊时的安全性，设计研究一种液压缓冲装置作为码头上的护舷装置。根据液压缓冲原理设计该防撞装置，借液压阻尼作用,通过能量的转换,使船舶靠泊时速度逐渐降低并停靠;设计时考虑船舶靠泊时的撞击力和系缆后风流对护舷的作用力，最终得到防撞装置的结构模型，为后期进行结构建模、受力分析奠定基础，为液压式码头护舷的研究提供参考。

液压缓冲装置；护舷；靠泊撞击力；防撞装置

0 引言

船舶靠泊时会产生撞击能量。码头防撞装置设计是码头工程设计中的重要内容。合适的码头防撞装置不仅能保证靠泊作业的安全进行，同时可以提高码头使用寿命，减少维护成本。液压式护舷是一种能够高效吸收能量的码头防撞装置，其核心装置是液压缓冲器，借液压阻尼作用对因惯性运动的物体进行阻碍并使其停止。

1 液压缓冲式码头护舷工作原理

船舶以一定的速度向码头靠泊，在与码头护舷碰撞时，其有效撞击能量被码头护舷吸收，并且在护舷的作用下，船舶的速度逐渐降低最终停靠在码头前沿。在靠泊过程中液压缓冲式码头护舷系统实现对靠泊能量吸收的工作原理如图1所示。

图1 液压缓冲式码头护舷的工作原理

节流阀与单向阀1连接构成单向节流阀，并且可以通过调节节流阀上的流量调节手轮来改变流量和压力。溢流阀能对液压缓冲系统定压及起安全保护作用。液压缸中的弹簧可提供当船舶离开码头时使活塞杆回移到初始位置上的力。

其工作原理如下：船舶靠泊时液压防护装置的活塞杆发生碰撞，受到的碰撞压力使内部的活塞向左运动，挤压液压缸内的液压油，同时弹簧压缩，液压缸筒内的液压油因活塞的运动压力增大，到达一定值后，单向阀1打开，缸筒内的液压油经过节流阀、单向阀1、溢流阀进入油箱内。活塞杆压缩液压油的运动将会消耗大量的动能，这些动能来自于船舶撞击时产生的撞击能量，能量被活塞的运动消耗，船舶受到的撞击能量就会减少，从而保护船舶免受撞击能量的损坏。当船舶离开码头时，活塞杆受到复位弹簧的作用回复到原位，压力变小，油箱的液压油会经过单向阀2进入缸筒内补充压力，从而完成整个过程。液压油经过单向阀1时，单向阀2始终是关闭的。同理，液压油经过单向阀2时，单向阀1是关闭的。整个过程始终保持往一个方向运动。

液压缓冲式码头护舷优势：通过能量的转换可高效地吸收撞击能量；液压油的循环利用可减少维护成本；改变液压缸的尺寸可以提高液压缓冲装置吸收能量的极限点；有效提升船舶的靠泊安全性。

2 液压缓冲式码头护舷主体设计

进行护舷主体设计时选取船舶的主要参数如下。

船长：L=200m；船宽：W=30m；吃水：d=10m；吨位：m=10 000t；船舶靠泊时法向速度：Vn=0.1m/s；船舶靠泊时与护舷夹角：θ=10°。

码头护舷的设计需考虑船舶靠泊时的撞击力以及船舶系缆后风流对护舷的作用力。

2.1 液压缸缸筒内径D

液压缸缸筒内径D是根据液压缸的负载和缸内压力来计算确定的。内径确定后才可以进行其他参数的计算。在计算得到缸筒内径D后，还需根据GB2348-1980标准来选取。

以无杆腔作工作腔时

以有杆腔作工作腔时

式中:D为液压缸缸筒内径，m；Fmax为液压缸上的最大作用负载，N；P1为液压缸工作腔的工作压力，Pa；d为活塞杆外径，m。

作用在液压缸上的最大负载是船舶靠泊时的撞击力与靠泊后在风载荷和波浪载荷的作用下形成的作用力之和。靠泊时的撞击力远远大于风载荷和波浪载荷作用下的作用力，因此在进行液压缸内径设计时所受的最大负载为船舶靠泊时的撞击力Fmax=634.36kN。此处以无杆腔做工作腔计算。

液压筒的缸内压力应根据负载的大小来确定，在此选取工作腔的工作压力P1=10MPa。

由式(1)可知：D=0.28m。

通过查阅GB2348-1980，选取液压缸缸筒内径D=0.32m。

2.2 液压缸活塞杆外径d

液压缸活塞杆直径D根据活塞杆受力状况来确定。当活塞杆受拉力作用时：d=(0.3～0.5)D。当活塞杆受压力作用时：当P1=5MPa时，d=(0.5～0.55)D；当5MPa7MPa时，d=0.7D。

已知在计算液压缸缸筒内径时选取的液压筒缸内压力P1=10MPa，并且活塞杆主要受到的是压力作用，因此活塞杆外径尺寸d=0.224m。

根据GB2348-1980中给出的相关标准，选取活塞杆外径d=0.22m。

2.3 液压缸壁厚δ的校核

在缸筒内壁进行校核时需分别考虑缸筒是薄壁还是厚壁。

(1) 若缸筒为薄壁，壁厚δ的校核方式为

式中：D为缸筒内径，m；Pmax为缸筒试验压力,MPa；σP为缸筒材料的许用应力。

(2) 若缸筒为厚壁，壁厚δ的校核方式为

在设计时选取液压缸壁为厚壁，即以式(4)来校核液压缸的壁厚。由于液压筒的缸内压力P=10MPa，在此选择缸筒试验压力Pmax=15MPa。缸筒材料选择无缝钢管，[σP]=100～110MPa,取[σP]=100MPa。

因此，可取δ=0.05m。此时D/δ=0.32m/0.05m=6.4<10,满足厚壁要求。

2.4 液压缸缸筒外径D1

液压缸缸筒的外径应不小于其内径加上2倍的壁厚，即

式中：D1为液压缸缸筒外径，m；D为液压缸缸筒内径，m；δ为液压缸缸筒壁厚，m。

由式(5)可知：D1=0.42m。在此取缸筒的外径D1=0.42m。

2.5 液压缸缸筒长度L

通常通过活塞杆的工作行程长度与各种结构来确定液压缸缸筒的长度L，即

式中：L为缸筒长度，m；I为活塞的最大工作行程，m；B为活塞宽度，m；A为活塞杆导向长度，m；C为其他长度，m。

选取活塞的最大工作行程I=1m。活塞的宽度根据液压缸设计规范可知B=(0.6～1)D，在此文中选取B=0.6D=0.6×0.32m=0.2m。活塞杆导向长度A=(0.6～1.5)D，在此选取A=D=0.32m。

由式(6)可知：L=1.57m。在此选取液压缸缸筒的长度L=1.62m。

3 液压缸

根据上述计算步骤得到的数据通过CAD软件画出液压缸示意图，如图2所示。

图2 液压缸示意图

如图2所示，在右侧缸盖上装有节流阀和液压控制阀。左侧的活塞杆是船舶靠泊时与防撞装置的接触点，在右侧的控制阀与液压油箱和复位装置连接，整个装置的连接方式主要采用螺钉，以方便安装以及后期维护。

活塞受到撞击后向右移动，为防止缸筒产生真空，在上方开一个排气孔，在运动时，液压缸外的空气可以进入缸筒内。同理，当船舶离开时，进入的空气又可以从排气孔排出。安装的排气装置结构如图3所示。

图3 快速排气阀结构

如图4所示，P、A、T是可以快速进出气体的阀口。当空气由P进入时， 阀芯上移P与A相通，缸筒内得到足够的空气避免真空；当空气由A进入时，阀芯下移A与T相通，这时空气可以快速地从T处排出。

通过以上的设计计算得出各个零件的大小，将单个零件组合通过CAD软件画出的结构模型如图4所示。

图4 单个液压缓冲装置的结构设计模型

4 液压缓冲装置的结构设计模型

单个结构吸收能量的极限点较低，能适应的船舶类型有限，将几个结构组合成一组装置可以提高防撞装置吸收能量的极限点，从而保证不同大小船舶的靠泊安全。

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5 结束语

通过对船舶靠泊防撞装置的设计研究，进一步论证了利用液压做护舷的方案的可行性。液压装置的使用寿命远大于橡胶护舷的使用寿命，其所能够承受的撞击能量也高于橡胶护舷，可以更好地保护船舶与码头。目前，液压式码头护舷仅作为概念出现，在各大码头并未安装使用。

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Structure Design on Anti-Collision Device of Ship Berthing

TIAN Yuqin

(Qingdao Huanghai University, Qingdao 266427, Shandong， China)

To improve berthing safety, with the help of hydraulic damping effect a hydraulic damping device is designed as fenders on the dock. The anti-collision device is designed according to the hydraulic damping principle to design the anti-collision device. By hydraulic damping effect, the ship berthing speed is gradually reduced and the ship is docked with the help of hydraulic damping effect through the energy conversion. The berthing impact force and force of the fender after the lines are fasten are considered during design. The anti-collision device structure model is obtained. It lays the foundation for the structural modeling and force analysis,and provides a reference for the research of hydraulic fender.

hydraulic damping device; fender; berthing impact force； anti-collision device

1000-3878(2017)03-0064-03

田玉芹(1978-)，女，副教授，主要研究方向为船体结构设计与制造

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