海上应急救捞遇险船舶开孔装置设计

(交通运输部北海救助局,山东 烟台 264012)

海上应急救捞遇险船舶开孔装置设计

赵世野

(交通运输部北海救助局,山东 烟台 264012)

针对目前海上应急救捞遇险船舶传统开孔方法耗时长，现有开孔装置不适合倾斜状态和水下使用的现状，设计一种新型低重心、轻量化、液压驱动的开孔装置，通过建立核心零部件的有限元模型，校核结构强度，分析结构的抗倾覆能力和液压动力系统。研究表明，该装置设计合理，具有良好的可使用性。

海上救援；船体开孔；水下切削；液压驱动

在我国沿海海域，每年都会有中小型钢质船舶发生翻扣事故[1-2]。对于此类险情，通常需要救助人员及时在船体开出孔洞，为被困人员打开生命通道[3-5]。由于翻扣船舱内通常会存在易燃易爆气体，需要使用无火花快速开孔装置实施人命救助。在实际救险过程中，遇险船舶险情各异，适合开孔的船板很少为水平状态，大多相对于水平面倾斜，甚至存在需要进行水下开孔的状况。现有的应急救助开孔装置整体高度偏高，在倾斜状态下使用时，高速旋转的主轴易出现摆动，影响切割效果；装置重量较重，需要磁吸力非常大的永磁体来解决固定问题，进一步增大了装置重量和成本；另外，现有装置使用电机驱动，要求的防护等级较高，不利于在水中使用。针对上述问题，设计一种可在恶劣海况或水中倾斜使用的应急救捞遇险船舶开孔装置。

1 结构原理

图1 开孔器

开孔装置总体结构如图1所示，装置动力设备为液压马达，以便于在水下应用。液压马达由船舶液压油驱动，液压马达带动主轴使内圈旋转，刀具与其刀架设置于内圈上并随之旋转，完成圆周切削，开出圆形孔洞。外壳体(外圈)与3个支撑脚连接永磁体，是开孔装置的支撑结构；内圈通过锁紧座和楔块连接在外圈内部。进给机构采用行星齿轮式设计，外圈内径有齿轮作行星架，内圈设置3个齿轮箱，其内设置齿轮组作行星轮，行星轮驱动刀架上的进给丝杠完成转动变直动的转换，刀架沿导向滑板完成径向进给工作。

①为避免倾斜状态下主轴高速旋转时出现摆动，本装置设定主轴端部轴承间的轴向距离与轴承内径之比不小于2，从而减小轴承间隙所导致的主轴晃动角度，提高主轴的支撑刚度；②采用液压马达替代原有的电机驱动，液压马达自身转速低、输出转矩大，不需要减速器即可满足切割转速和转矩的要求，一方面减轻了装置的重量，另一方面降低了装置的重心，装置在倾斜状态下与船板之间的连接更加稳固，抗倾覆能力更强，也降低了对永磁体吸附力的要求；③限定装置总高度与切割直径之间的比例，在强度足够的前提下，减小进给齿轮尺寸，同时通过对进给丝杠的合理布置，极大地降低了装置高度，可有效避免装置重心过高导致的倾翻风险。

2 结构设计

2.1 刀盘机构

现有开孔装置的刀盘机构在使用中主要存在以下缺陷：①刀盘在水下易受到水流的冲击，导致刀盘和主轴发生摆动，影响正常的切割；②刀盘过重，驱动装置负载高。

为此，提出如图2所示的刀盘机构，采用镗刀式设计，主要由刀具、导向滑板、内圈、进给丝杠、刀架组成。开孔为半径r=230 mm的圆形孔，在圆形切削轨迹上均布内中外3把镗刀，以减轻单刀负荷并有利于散热，减少在无切削液的情况下出现火花的可能性。该刀盘机构具有以下优点：①刀盘在水下旋转时，内圈置于装置外圈内，刀盘只在刀架处受到水流冲击；②内圈顶面为辐轮状，进一步减轻了刀盘的重量。

图2 刀盘总成

2.2 传动进给机构

传动进给机构如图3所示，齿轮箱与内圈是一体的，内圈在液压马达的驱动下转动，齿轮箱在随着内圈转动的同时，行星齿轮与外圈行星架啮合，经过多组齿轮的变速，最终驱动进给丝杠使转动转换为刀架的直线运动。

选取大径为20 mm、螺距为4 mm的丝杠，并按进给量为0.08 mm/r、传动比为50进行齿轮组设计。为防尘以及事故现场的其他杂物对齿轮啮合造成不良影响，3组进给齿轮设置在齿轮箱内。离合器以弹簧形式复位，可在紧急时切断刀具进给动力。

2.3 动力系统

选用液压方式，与船舶液压系统对接。由于液压系统在高盐、高湿环境中工作，需要对阀类零件及连接件做一定防护。液压系统原理见图4。系统中工作压力为小于7 MPa的低压，选取优选数系中的2 MPa为工作压力，执行元件为液压马达，背压设置为0.5 MPa，由于开孔装置设计为定速镗削，选取液压马达为定量马达，液压马达正反转分别控制进刀和退刀。

3 计算与仿真分析

3.1 刀具设计基本参数

参数选取主要考虑2方面因素：①本系统由于要求减重，工作环境不稳定，因而在刀具设计时优先选取较大主偏角κr，以减小对系统刚度的要求；②在对钢板整体的镗削加工中，内外刀头都要持续断屑，也需要较大主偏角，因此，选取内外刀主偏角κr1,κr3均为75°，直刀刀头主偏角κr2为90°，各刀具前角γo均为13°，刀具材料为高速钢。背吃刀量分别为内翻刀头αp1=2.5 mm，直刀刀头αp2=3 mm，外翻刀头αp3=2.5 mm。

参照已设计的开孔装置，在相同切削条件(转速n=17 r/min)下，计算得出各刀头受力情况见表1。计算可得刀头位置总转矩T1=429 N·m，切削功率Pc=0.78 kW[7-8]。

新型液压驱动开孔装置的功率损耗主要来自于联轴器、齿轮组和楔块与外圈间的摩擦，取联轴器传动效率为0.95，齿轮组传动效率为0.89，楔块与外圈间传递效率为0.90，计算得到液压马达输出转矩为563 N·m，输出功率为1.02 kW。

表1 各刀头受力表 N

3.2 结构强度分析

为了减轻装置重量，开孔装置主体结构的内圈和外圈采用辐板状结构设计，并采用有限元分析软件Ansys Workbench和网格划分软件ICEM对内外圈的结构强度进行有限元分析，以保证开孔装置的刚度等重要指标的安全性。

对外圈做结构静力学分析，材料为铸铁，网格尺寸为4 mm，采用四面体与六面体混合网格，外圆周支撑面固定，简化螺栓连接，将转矩T=563 N·m设置于内圆周上，忽略内径行星架上的受力。

外圈应变分布见图5。

图5 外圈变形分布云图

由图5可见，外圈产生应变的位置在中间环形圈处，最大变形为0.002 5 mm，不会产生明显变形；外圆周变形幅度接近0。Ansys安全因子计算为15，远大于安全值1，表明这一结构符合使用要求，有较强的结构稳定性。

对内圈做动力学分析，模拟其运动情况。材料为铸铁，网格尺寸为4 mm，参照图1中内圈的结构设置约束，驱动力设置于孔键槽处，切削阻力设置于刀架安装位置，忽略行星齿轮之间的作用力。

图6为内圈应力云图，可以看出应力集中位置在轮辐处和刀架安装位置，等效应力最大值为7.45 MPa，根据第一强度理论，考察铸铁许用应力，有限元分析内圈的等效应力远小于许用应力，分析认为内圈结构强度符合要求。同时，Ansys workbench计算此结构安全因子为15。

图6 内圈应力云图

3.3 装置稳定性分析

开孔装置开孔过程中，3个永磁体支撑脚主要有2方面作用：①在液压马达的转动力矩作用下保持装置稳定，避免出现开孔圆周不闭合的情况；②保证开孔装置在目标钢板非水平或晃动情况下具有抗倾覆稳定性。

根据SolidWorks仿真计算，开孔装置重量约为280 kg，重心与磁铁吸附面的距离为180 mm。取粗糙表面摩擦系数f为0.35，3个磁吸力F=4 000 N的永磁体分别为P1、P2、P3。其中P1为垂直高度最低的永磁体，切削工作时主轴输出转矩T=563 N·m，开孔半径r=230 mm。

3.3.1 扭转稳定性分析

抗扭转矩主要由开孔装置和钢板间的摩擦力生成，取摩擦力最小即开孔器倒悬于目标钢板。由式(1)计算得最小抗扭转矩T2=901 N·m，大于主轴输出转矩，表明抗扭转稳定性较好。

T2=(F1+F2+F3-G)fr

(1)

式中：F1、F2、F3分别为磁铁吸附力；G为装置的重力。

3.3.2 抗倾覆稳定性分析

抗倾覆力矩主要由磁力产生，倾覆力主要为重力作用，倾覆支点为吸附面上垂向高度最低的永磁体P1，开孔装置安装时，其抗倾覆能力最大为P2、P3以P1所在垂线对称，简化模型如图7所示，计算如下。

M1=2(rsin 30°+r)F

(2)

M2=G(hcosβ-rsinβ)

(3)

式中：M1为抗倾覆力矩；M2为倾覆力矩；β为安装时船体钢板与垂直面的角度，∈[0°,90°]。

计算得，在定义域内，当β=0°时，2力矩之差有极小值M1-M2=2 256 N·m>0，表明该开孔装置有较好的抗倾覆稳定性。

图7 开孔装置固定示意

3.4 动力系统仿真与计算

开孔装置的液压系统以船舶液压系统为动力源，省却液压泵站的设计与购置，计算液压系统各零件参数并进行基于AMEsim的系统仿真。

对液压马达排量V和最大流量q进行计算。

V=2πT/▽Pηmm

(4)

q=Vnmax/ηmV

(5)

式中：T为马达输出转矩；▽p为液压马达进出口压力差；ηmm为机械效率，取0.9；ηmV为容积效率，取0.8，nmax为主轴最大转速。

计算得到V=2.6 mL/r，q=55.25 mL/min。

按照图4液压原理设计仿真回路，以电机和定量泵模拟船舶液压动力源，以常量k=1×1030和电磁换向阀简化替代手动换向阀模型，其他数据参照本文1.4部分，得出液压马达进口流量。由图8可以看出，液压马达进口流量在短时间波动后趋于稳定，符合使用要求。

图8 液压马达进口流量

4 结论

1)装置解决了倾斜状态下主轴高速旋转时重心不稳的难题，降低了装置对高磁吸力的要求。

2)该装置轻便、易于携带、灵活性强、安全系数高、稳定性强，可在海上应急救助领域进行推广应用，提高人命救助能力，具有潜在的社会效益。

3)下一步需开展水下相关实验以对装置的综合性能进行验证。

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Design of Hole-opening Equipment Applied in Seawater for Emergency Salvage of Ships in Distress

ZHAOShi-ye

(Beihai Rescue Bureau of the Ministry of Transportation, Yantai Shandong 264012, China)

In view of the problems of long time consuming in traditional opening hole in hull and the existing device’s shortcoming in incline and underwater in the maritime emergency rescue, a hole-opening equipment with the low center of gravity and low weight was investigated based on hydraulic drive. By establishing the finite element models of core components, the structural strengths were checked. The hydraulic power system and the anti-overturning capability of hole-opening equipment were also analyzed. The research showed that the equipment is designed reasonably and has a good usability.

maritime rescue; hole-opening in hull; underwater cutting; hydraulic driving

U676.6

A

1671-7953(2017)06-0050-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.011

2017-10-09

2017-10-23

国家科技支撑计划项目(2014BAB12B06-07)资助

赵世野(1970—)，男，硕士生，高级工程师

研究方向：沉船救助与打捞技术及装备研发