船舶靠泊液压缓冲系统设计

黄国富季越红

(1.中国船舶科学研究中心上海分部，上海 200011;2.中船重工(上海)节能技术发展有限公司，上海 200011)

为了减小带速船舶对码头的冲击，传统的做法是在码头上安装木材护舷和橡胶护舷等船舶缓冲装置，由于橡胶护舷比木材护舷使用寿命长，耐久性强，不易腐烂，广泛应用在小型码头[4-5]，但橡胶护舷吸收冲击能力有限，船舶靠泊带速较大时，橡胶护舷的缓冲作用基本失效。应用前景较好的柔性吸能防撞设施依靠船舶撞击力作用使桩头水平变位从而消耗靠泊动能，但其要求高等级钢材和高质量焊接[6-8]，成本增加。相对而言，一些液压元件成本较低，如液压缸和溢流阀可作为吸能减振元件对失控船舶靠泊的冲击能量进行吸收[9-11]。节流阀、蓄能器对于解决溢流阀开启滞后性具有一定作用，在煤矿机械中被用来吸收提升机过卷过放冲击[12-13]。但在船舶靠泊液压缓冲系统设计领域，关于液压缸匹配节流阀、溢流阀、蓄能器组合吸收带速船舶靠泊冲击并将其缓慢制动的设计和理论探讨却鲜有公开发表的文献记录。针对船舶靠泊冲击问题，考虑通过液压缸匹配节流阀、溢流阀、蓄能器组合，设计船舶靠泊液压缓冲系统，采用AMESIM搭建系统仿真模型，结合船舶缓冲位移-缓冲力的特性曲线分析归纳失控船舶速度、质量、蓄能器充气压力、节流阀通径对缓冲系统性能影响规律，为完善船舶靠泊减震吸能技术提供参考。

1 系统组成及原理

船舶靠泊液压缓冲设备及系统组成见图1。

图1 船舶靠泊液压缓冲设备及系统组成

考虑到靠泊防撞缓冲结构的稳定性、受力均匀及安装布置等方面，对称设置导向装置，设置滚筒主要为了靠泊时避免损害船舶表面，缓冲垫下设缓冲油缸吸收船舶靠泊时产生的冲击动能。

靠泊前防撞板在缓冲油缸无杆腔弹簧力作用下处于伸出状态；待船舶靠泊时，船舶撞击防撞板，压缩缓冲油缸活塞缩回，其无杆腔油液先经节流阀产生节流阻尼作用，接着存储于蓄能器气囊，当压力大于溢流阀开启压力时，多余的油液溢流回油箱；这样缓冲油缸无杆腔形成一定的油压，该压力作用于活塞上，阻碍船舶快速停止，从而形成一定的缓冲效果，防止失控船舶靠泊造成破坏；待船舶离开码头或岸边时，蓄能器释放储存的油液，缓冲油缸活塞在无杆腔弹簧和蓄能器气囊油压的作用下，复位至初始状态。

2 系统仿真模型搭建

根据船舶靠泊液压缓冲系统工作原理，搭建其系统仿真模型见图2。仿真参数见表1。

图2 船舶靠泊液压缓冲系统仿真模型

表1 仿真参数

3 船舶靠泊液压制动系统仿真分析

设置仿真步长0.001 s、仿真时间3 s，仿真分析得到船舶靠泊液压缓冲系统动态性能见图3。

图3 失控船舶靠泊液压缓冲系统动态性能

液压缓冲系统实际吸能E为

(1)

式中：F为系统缓冲力；x为缓冲位移。

则图3c)缓冲位移x与缓冲力F所包围的面积即为系统实际吸收的能量值。

由图3可见，船舶靠泊发生失控事故时，靠泊液压缓冲系统发挥较好的缓冲作用，船舶速度由初始失控速度3.0 m/s缓慢减速至0，缓冲过程船舶位移0.86 m；蓄能器储存6.8 L的油液，气囊压力增加至13.2 MPa；船舶失控靠泊过程中的缓冲力最大为1.15×106N，缓冲初期缓冲力逐渐增大，缓冲末期缓冲力逐渐减小。

为研究不同载重的失控船舶靠泊时的缓冲特性，分别设置船舶总质量为6.0×104，8.0×104，1.0×105，1.2×105kg仿真分析，结果见图4。

图4 失控船舶总质量对靠泊液压缓冲系统的影响

失控船舶冲击能E0为

(2)

式中：M为船舶总质量；v为船舶失控速度。

当失控船舶载重增大(即式(2)中M增大)时，船舶失控时的冲击能量增大，缓冲系统需要缓冲吸收的能量增加。

由图4可见，随船舶总质量增大，船舶位移逐渐增大，蓄能器气囊压力也增大，当船舶质量增大至1.0×105kg时，蓄能器气囊压力达到了溢流阀的设置压力值，系统压力发生了卸荷，压力始终保持为30 MPa。由图4c)可以看出，当船舶总质量增大后，缓冲系统吸收的冲击能量增加，缓冲系统通过延长缓冲位移、增大缓冲力进行吸收更多的靠泊冲击能量。

为研究不同失控速度的船舶靠泊时的缓冲特性，分别设置船舶速度为3.0、4.0、5.0、6.0 m/s仿真分析结果见图5。

由图5可见，随失控船舶速度增大，缓冲过程船舶发生的位移变化较小、无规律，而蓄能器气囊压力增大、缓冲力增大、系统吸能量增大，很显然当失控船舶速度增大后，缓冲系统仅通过增大缓冲力进行吸收增加的船舶靠泊冲击能。

为研究船舶靠泊时不同蓄能器充气压力的缓冲特性，分别设置蓄能器充气压力3.0、5.0、7.0、9.0 MPa，仿真分析见图6。

由图6可见，当蓄能器气囊压力由3.0 MPa增大至9.0 MPa，船舶发生的位移由0.86 m减小至0.60 m，蓄能器气囊压力由13.2 MPa增大至22.5 MPa，系统缓冲力(缓冲力数量级为106)由1.15×106N增加至1.18×106N，但缓冲位移-缓冲力包围的面积基本相同，说明失控船舶靠泊冲击能一定的条件下，液压缓冲系统的吸能量基本是一定的，蓄能器参数对吸能量影响不大。

为研究不同节流阀通径的缓冲特性，分别设置节流阀通径为3.0、4.0、5.0、6.0 mm，仿真分析结果见图7。

图5 失控船舶速度对靠泊液压缓冲系统的影响

图6 充气压力对靠泊液压缓冲系统的影响

图7 节流阀通径对靠泊液压缓冲系统的影响

由图7可见，当节流阀的通径由3.0 mm增大至6.0 mm，船舶位移由0.86 m增大至1.15 m；当节流阀通径增大至5.0 mm时，蓄能器气囊压力逐渐增大至溢流阀设定的开启压力值30 MPa，系统缓冲力由2.2×106N降低至0.3×106N，而缓冲位移-缓冲力包围的面积基本保持一致，进一步说明了失控船舶靠泊冲击能一定的条件下，液压缓冲系统的吸能量基本是一定的，节流阀通径对系统吸能量的影响也不大。