起艇绞车限速器的设计改进和调整方法

徐丽云，盛伟群，余明德

（1.中船绿洲镇江船舶辅机有限公司，江苏镇江 212000；2.上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

起艇绞车是船舶救生设备中的重要组成部分。由于救生设备涉及到母船上船员或乘客的人命安全，因此，起艇绞车设计、制造和验收受到《国际海上人命安全公约（SOLAS）》[1]及《国际救生设备规则（LSA）》的严格约束，对设备安全性能的要求极高。限速器作为起艇绞车的核心部件，其性能直接决定了起艇绞车的安全性能。《国际救生设备规则（LSA）》第VI章“降落与登乘设备”6.1.2.8明确规定[2]，满载救生艇筏或救助艇降落下水的速度，应不小于由式（1）得出的速度。

式中：S为下降速度，m/s；H为从吊艇架顶部到轻载航行水线的距离，m。

同时6.1.2.9规定：“配备全部属具但不载人员救生筏的降落速度应使主管机关满意。配备全部属具但不载人员的其他救生艇筏的降落速度应不少于6.1.2.8要求的70%。”

本文主要阐述常用的离心式限速器的工作原理、下放速度的计算、实际限速器改进后的设计及后续实际限定速度的调整方法，为相关设计、生产单位满足《国际救生设备规则（LSA）》要求提供参考。

1 离心式限速器的工作原理

离心式限速器结构组成见图1。

图1 限速器的结构图

其工作原理为：限速器壳体1固定不动，当艇/筏下放时转轴5随即带动连杆2旋转。摩擦材料3装在限速块7上，并通过销轴6与连杆2相联，弹簧4装在两限速块上。转动时因限速块7质心（质量m）产生的离心力Fm使得摩擦材料3贴合限速器壳体1产生摩擦力F。摩擦力F所产生的摩擦力矩与外负载力矩达到平衡时，转轴5匀速转动，限速块7可绕销轴6自由转动，从而保证起艇绞车在下放艇/筏过程中的平稳性。

2 下放速度计算

由于从开始下放到达到平衡状态时间很短（可忽略），销轴5与连杆2可看作瞬时达到平衡而没有相对运动。因此，可忽略销轴5处的摩擦力矩。

下放达到平衡时，在外力矩（限速轴）T作用下，每个限速块所需的径向正压力应满足[3]：

式中：Z为限速块数量，见图1中件7；R为摩擦半径，mm；μ为摩擦系数。

当力矩达到平衡时，各力也达到平衡状态。将限速块7、连杆2和摩擦材料3作为一个整体进行受力分析，以销轴6轴线为转心，力矩和为零，则：

式中：Fm、FS、FN、Ff分别为离心力、弹簧力、正压力、摩擦力，N；Lm、LS、LN、Lf分别为离心力、弹簧力、正压力、摩擦力至转心的力臂，mm。

故有效离心力为

已知质心质量m及旋转半径Rm，假定转轴5的旋转速度为n，质量m的实际离心力为

由上述推理可知，假定T、R、Z、Rm为定值，转速的平方（n2）随FS·LS增大而增大，随m增大而减小。

同时，为保证限速器在动力起升时不消耗能量，需保证摩擦材料3与限速器壳体1在动力起升时不接触，故FN=0，Ff=0

已知动力起升时的转速为n0，则：

3 限速器改进后的设计及后续限定速度的调整方法

结合离心式限速器设计经验及结构特点，可以通过以下几种改进设计来调整下放速度，从而达到预期的限速的效果，以满足规范要求。

1）通过改变转心的位置来调整下放速度

如图2所示，假定转心所处半径为r，与水平所处夹角为θ，则：

图2 转心位置对限定速度的影响

以DP220S救生艇绞车为例：

外力矩T=820 N·m；摩擦半径R=175 mm；重心半径Rm=100.3 mm；摩擦系数取值μ=0.35；限速块数量Z=4；单个限速块的质量m=6.1 kg；弹簧力Fs=850 N；调整之前，转心位置角度θ=57°；弹簧位置角度β=37°；限速块重心位置角度γ=60.4°；转心所处半径r=138 mm；则根据式（10），n2=7 976 262，n=2 824.2 r/min。

通过改变转心位置角度θ，当θ角度减少5°时，根据式（11），速度下降33.35%。

通常，为了简化计算，在实际设计过程中，可直接利用EXCEL工具，编定好如上所述的相关公式，直接输入θ值，通过调整就可计算得出合适的下放速度，由此预设好2个不同的转心位置，见图2。由此可见，通过改变转心的位置的机构改进可以改变起艇绞车的下放速度，从而满足国际救生设备规则（LSA）和救生设备试验（MSC.81（70））[4]中对起艇绞车在轻载和满载情况下救生艇筏或救助艇降落下水的速度的要求。

2）通过调整弹簧的压缩行程来调整下放速度

由于弹簧力的大小直接影响下放时速度，可以通过调整弹簧的压缩行程改变弹簧力的大小来改变下放速度。即在原弹簧位置增加调整螺钉和垫片。见图2中的放大视图I。

以DP220S救生艇绞车为例，原设计时的弹簧总行程（总压缩量）ΔL为7.5 mm，弹簧的刚度K（N/mm）根据式（12），为113.3

通过改变转心压缩弹簧的行程，当弹簧压缩量减少3 mm时，根据式（13），速度下降了8.4%。

3）通过改变相关件的重量或材料来调整下放速度

由于限速块7、连杆2和摩擦材料3的整体质量与下放速度相关，可以在连杆结构上增加减轻孔或铆接重块。

另外还可以改变限速块的材料属性来改变下放速度。

以DP220S救生艇绞车为例，原限速块材料为Q235B，ρ1为7.85 kg/cm3，当限速块材料修改为铸铜时，铜的密度ρ2为8.9 kg/cm3，根据式（14），绞车的重力下放速度下降6.08%。

4）通过改变限速块的安装方向来调整下放速度

由于摩擦力方向对重力下放速度有较大影响，因此可以通过改变限速块的安装方向来实现调整，见图3。

图3 限速块安装方向调整

此时：

通过此方法，根据式（16），原来的重力下放速度下降了17.3%。

4 结论

通过研究分析离心式限速器的工作原理及结构，较为全面地介绍了起艇绞车的核心部件限速器，并且对其改进设计原理和调整方法进行了详细阐述，通过调整转心的位置、调整弹簧的压缩行程、改变相关件的重量或材料和改变限速块的安装方向4种方式来达到降低起艇绞车重力下放速度的目的。其中，调整转心位置对改变下放速度的效果最佳，改变限速块的安装方向次之，改变相关件的重量或材料对改变下放速度的效果最小。

因此在后续设计应用中，可根据实际情况选择相应的调整方法来调整起艇绞车的重力下放速度，从而满足《国际救生设备规则（LSA）》第VI章“降落与登乘设备”6.1.2.8以及6.1.2.9所规定的速度要求。