侧移式舱口盖顶升不同步原因分析与设计改进

2018-03-24张维传

船舶标准化工程师 2018年2期

张维传

（南通中远川崎船舶工程有限公司，江苏南通，226005）

0 引言

随着散货船的大型化发展，货舱舱口越来越大，舱口盖的尺寸和重量也越来越大。大型散货船上一般使用侧移式舱口盖居多。侧移式舱口盖一般分为单片式和双片式，单片式舱口盖四周能承重到舱口围上，盖板一般为对称结构，顶升滚轮处承受的重量平均，盖板顶升同步；而双片式舱口盖，由于舱口盖结构不对称，顶升滚轮处承受的重量不均匀，盖板顶升的同步性差，严重时甚至会导致开舱困难，盖板磨损严重。因此，侧移式舱口盖顶升同步性越来越受到重视。本文分析了某大型散货船双片侧移式舱口盖顶升不同步的现象以及引起的问题，提出设计改进措施。

1 侧移式舱口盖

1.1 舱口盖结构

侧移式舱口盖，顾名思义，即平移打开的舱口盖。可为单片盖板，也可为双片盖板。侧移式舱口盖盖板一般设计为开式结构，由梁和板组成，其主要构件为顶板、端板、侧板、纵梁、横梁及扶强材等[1]。对于单片式舱口盖，盖板四周均能搁置到舱口围面板上，因此可为对称结构。而对于双片式舱口盖，盖板首尾两端及外侧搁置在舱口围面板上，支撑点位于纵梁两端以及横梁的一端，盖板内侧则悬空在货舱中间，因此结构无法对称。侧移式舱口盖结构简单，既不需翻转，也不需折叠，操作保养方便，但打开时需要较大的存放空间，多用于大型散货船上。

1.2 驱动方式

侧移式舱口盖和单片式舱口盖的盖板可向单侧移动，也可向两侧移动。双片式舱口盖可分别向两侧移动。舱口盖的横移动作可通过液压马达驱动链轮链条传动来实现，两片舱口盖之间可设置同步链条，或者同步钢丝绳，也可分别在每片盖板上都设置齿轮齿条传动。对于液压式链条传动的侧移式舱口盖，一般通过液压油缸实现顶升和通过液压马达实现横移。在每片盖板首尾侧滚轮关闭位置下方设置两个液压油缸，在舷侧设置一个横移用的液压马达。顶升和横移在液压系统中为并联回路，来自液压泵站的液压油通过操纵控制阀站进行分流，先操纵油缸将舱口盖滚轮顶起至导轨上表面，再操纵液压马达驱动链条控制舱口盖横移。一般设计上，控制阀站的操纵阀组处都设置可调式节流阀分别调节顶升和横移的速度，液压马达上设有旁通阀和溢流阀，确保盖板横移动作平稳，并能在任意位置锁定[2]。

2 舱口盖顶升不同步现象

2.1 现象描述

某新投入营运不久的大型散货船上采用双片侧移式舱口盖，液压驱动，单片舱口盖设置4个油缸，整舱设置横移马达1个，使用链轮链条传动。在舱口盖开启过程中，发现顶升不同步现象趋于严重。有时靠外侧的油缸先顶升到大约一半位置，靠中间的油缸才开始动作，因此导致两片舱口盖出现顶升不同步。盖板两侧先被抬起，中间部分形成相对下沉挤压，严重时甚至导致无法通过一次操作完成开舱动作。由于双片式舱口盖对接中缝处有保持风雨密性的橡皮条，还有上下限位结构，打开时需两片舱口盖同时顶升，否则会出现舱口盖接缝处结构受到挤压而损坏。此处可以看出舱口盖的同步顶升非常重要。

经现场排查，舱口盖活动件接触部位均已加足润滑油，也确认油缸处液压系统油已排气干净[3]，但反复操作几次开舱动作仍发现舱口盖顶升不同步。进而继续调查发现，顶升两片舱口盖的8个油缸规格相同，液压回路并联，进油主管分8个支管到每个油缸处，因此在操纵阀组处设置的节流阀无法同时调节8个油缸的顶升速度同步。

2.2 原因分析

2.2.1 舱口盖结构分析

本船舱口盖盖板结构，三边能支撑到舱口围上，剩下靠近舱中缝处的这边由于中部悬空无法设置承重点，通过设置大梁结构来承重，再考虑舱口盖顶面排积水，中间高，两侧低，如图1所示。受此结构所限，舱口盖重量分布不均，中间较重，两侧较轻。舱口盖顶升装置设置在滚轮下方，单片盖板的4个滚轮受力不同，而每块盖板由4个同样规格的油缸顶升，这势必导致作用在两侧较轻盖板部分的油缸先动作，靠中的油缸后动作，这样顶升动作不同步会使得两片盖板接缝处特别是中部横向止动限位块处出现严重的挤压现象。

图1 双片侧移式舱口盖前视图

如图2所示，舱口盖对接中缝处有密封橡皮条和上下限位块。如果盖板1和盖板2向中向下旋转下沉挤压，橡皮容易因为在压缩状态摩擦滑移而损坏，盖板顶部边缘和限位板也容易发生挤压变形损坏。再如图3所示，盖板1和盖板2向中向下旋转挤压，舱口盖上的限位结构和舱口围上的横向止动限位块会先挤压吃紧，摩擦力增大，然后继续挤压直至弹起，此时的非正常受力很大，对止动块的磨损相当严重。不同步现象严重时，此处还可能会卡死而导致舱口盖无法正常一次顶起，需不停重复先顶升一点，再下降一点，才能勉强顶起。这对操作人员的人身安全和船舶码头停留周期都影响很大。

图2 双片舱口盖中缝处密封结构

图3 双片舱口盖中缝处止动结构

2.2.2 液压系统分析

通过图4可以看出，液压油从大口径主管路进到8个油缸几乎是同时的，而由于开舱动作相对较慢，几乎不存在因局部流量过大引起补油有先后而导致顶升不同步的现象。新营运的船液压系统清洁度也不会有太大问题。因此判断导致不同步的原因主要还是因为在同样的顶升力作用下，较轻的盖板一端被先顶起来。而这种结构重量分布不均导致顶升力不同的问题，很难再通过均分结构重量来解决。因此，要想两片舱口盖顶升同步，只能通过顶升动力方面调整实现。

图4 改进前的液压顶升系统

2.3 同步顶升设计改进

再进一步分析液压系统中的顶升模块，要想实现顶升同步，需设计液压同步回路。所谓液压同步回路，指有两个或多个液压执行元件的液压系统中，要求执行单元件以相同的位移或相同的速度（或固定的速度比）同步运行。

目前液压驱动的同步系统的具体实现方式多种多样，但主要是由开环控制和闭环控制两种基本形式构成[4]。多缸同步运动是液压技术中的一大难题，液压缸数目越多，同步难度越大。受着执行机构负载不均匀、摩擦、泄漏、制造精度等影响，也受到液压系统合理性及元件质量和可控性影响，同步过程是一个极其复杂的过程[5-6]。为了弥补这些流量上造成的变化，应采取必要的措施。常用的高精度方法例如设置基于PLC闭环控制的液压同步回路，它通过设置反馈单元采取油缸位置信号，传递给CPU，再通过信号处理模块对信号进行分析处理，输出油缸的动作信号控制各个油缸动作，输出报警及判断等，能全自动完成同步顶升[7-9]。或者利用偏差耦合控制策略，对活塞位移量的差值进行调节和扰动补偿[10]。再者利用一种基于拉绳式位移传感器配合比例伺服阀的数字式闭环控制方案来实现多缸同步升降[11]。但是，对于舱盖这种同步精度要求不高的设备，以上系统过于繁杂，实现起来成本过高，不可取。此处主要考虑改进现有的开环控制回路，比如通过阀控同步回路实现[12]。对于本船舱盖液压系统，主要考虑可以通过3个方面加以改进。

1）内外侧使用不同规格的顶升油缸

即靠中侧的油缸加大规格，使其顶升力比靠舷侧油缸的顶升力大，以此来调整8个油缸顶升同步。当然，此方法需详细计算舱口盖的重量分布及每个滚轮的受力，根据具体受力计算定制合适截面积的液压油缸。此法虽能解决顶升不同步的问题，但需定制非标规格的油缸，成本较高。

2）油缸进油口处追加可调节流阀

此方法可以通过节流阀在舱口盖启闭过程中反复调整各油缸的进油流量，直到两片舱口盖顶升趋于同步为止。此方法在设计之初无需上述第1种方法那样精确计算，而是在安装后期随时进行调整，方便可靠。虽增加了节流阀部件，引起采购和维护成本稍有上升，但能解决舱口盖顶升不同步的问题。

3）油缸进油口处使用非可调节流设计

如进油口径变小。此方法需计算液压系统压力损失和流量，变径值的选取对节流速度的影响也需精确计算。可将所有油缸进油口统一变小直径，虽不能完全同步，却也能减缓不同步的程度，能达到使用要求。此法产生的成本最小。

此处优先考虑通过节流措施实现同步回路。改进后的液压顶升系统图见图5。

图5 改进后的液压顶升系统

以上3个方法，对舱口盖前期的设计和后期的维护都有不同影响，可权衡后选择。如果对同步要求不那么高，推荐使用方法3。如果对同步要求稍高，可选择方法1和方法2。当然，船舶在不同纵倾横倾状态下，舱口盖的重心有所改变，每次开舱的同步性也是不可能完全一样，但相差不会太大。

通过以上分析，如果双片舱口盖能同步顶升，那么中缝处的压紧条和橡皮则能顺利分离，不产生摩擦，而限位块也能在正常位置落位和分离，这样，整个开关舱过程中动作顺利平稳，安全可靠，还将大大增加的橡皮和限位块等结构部件的使用寿命。同时顺利地开关舱盖，节省码头操作工时，进而为船东节省了成本，带来利益。由此可见，双片舱口盖顶升的同步性非常重要，而上述同步顶升的改进措施也显得非常有意义。