ERS抱箍锁紧装置可靠稳定性研究

冯是公　孟军　秦栋成

摘要：ERS（紧急脱离系统）是LNG船用装卸臂上最核心的部件，它由上下两个球阀组成，在上下球阀中间有一套抱箍锁紧装置。在装卸臂正常装卸的过程中，LNG船在海里会发生漂移，如果LNG船漂移到預设的报警范围，紧急脱离系统就会开始工作，先将上下两个球阀关闭，然后打开抱箍锁紧装置，使船和装卸臂分离。现利用机械结构原理优化设计了抱箍锁紧装置，可以有效保护装卸臂和码头设备，避免出现重大安全事故。

关键词：LNG;ERS;船用装卸臂;紧急脱离系统;抱箍锁紧装置

0 引言

LNG船用装卸臂的安全系统设计有两级报警系统。如果LNG船漂移至一级报警位置，紧急脱离系统[1]就会关闭双球阀;如果LNG船继续漂移至二级报警位置，紧急脱离系统就会打开抱箍锁紧装置，实现装卸臂和船之间的分离。

抱箍锁紧装置在二级报警需要抱箍打开的时候，抱箍必须能够迅速打开，但在正常装卸的时候，必须要保证抱箍始终是在锁紧状态，不能出现意外打开的情况。本文研究的重点就是利用机械结构原理来彻底解决这个问题，并进行试验认证，确保该装置稳定可靠运行。

1 结构介绍

1.1    紧急脱离系统

紧急脱离装置如图1所示，它安装在装卸臂的三维接头垂直位置，安装位置如图2所示。执行机构分为两部分：一部分是开关阀机构，另一部分是抱箍锁紧装置。

1.2    抱箍锁紧装置

1.2.1    抱箍截面模型

抱箍锁紧的截面模型如图3所示。

球阀和抱箍的接触面是锥面，抱箍收紧，压紧上下球阀的锥面使两个球阀相互贴紧，在两个球阀接触的端面之间有蓄能密封圈，并且密封面端面之间不能出现泄漏，抱箍不能因为外力或者振动出现松动或脱开。

1.2.2    抱箍锁紧装置主要部件

抱箍锁紧装置的主要部件如图4所示。

两个油缸支承是通过螺栓连接到抱箍Ⅰ上的，油缸通过上下两个固定轴可以在油缸支承里自由旋转。推拉机构可以绕销轴Ⅳ自由旋转，锁紧杆可以绕销轴Ⅱ自由转动。在锁紧杆上有一个固定销轴Ⅲ，锁紧杆通过销轴Ⅲ和推拉机构连接。

抱箍锁紧装置的装配图如图5所示。

正常工作的时候，油缸活塞收紧，油缸活塞头座通过销轴Ⅰ拉动推拉机构，推拉机构绕销轴Ⅳ旋转，销轴Ⅲ卡在推拉机构的销槽内，通过销轴Ⅲ拉动锁紧杆，锁紧杆和抱箍Ⅱ连接，拉动整体抱箍收紧，进而抱箍收紧阀体。

1.2.3    连杆机构死点原理

装卸臂在正常使用的时候，还要考虑油缸压力失效时会不会意外打开抱箍。要保证抱箍不会意外打开，就需要从机械原理上对抱箍进行优化设计。

铰链四杆机构[2]是机械工程中应用最广的一类机构，可以将铰链四杆机构的死点原理应用到抱箍锁紧装置上。铰链四杆机构的简化图如图6所示。

图6所示的曲柄摇杆机构中，曲柄1为原动件，驱动从动件摇杆3做往复摆动，从动件受到驱动的方向与受力点速度方向所夹的锐角α称为压力角。由连杆2传递到摇杆3上的力F的作用线沿BC方向。F在速度VC方向的分力Ft是产生驱动力矩的有效分力，其值为Ft=Fcos α。压力角越小，有效分力越大，机构的传动性能越好。当压力角增大，有效分力Ft减小时，传动性能变差。在实际应用中，为了测量方便，通常以压力角的余角γ来衡量机构的传动性能。γ（即连杆和摇杆之间的锐角）称为传动角，传动角越大，传动的性能越好。

在△ABD和△CBD中，由余弦定理可得：

BD2=l2 1+l2 4-2l1l4cos φ=l2 2+l2 3-2l2l3cos∠BCD

由此可得：

cos∠BCD=

∠BCD=γ

若以摇杆3为原动件驱动曲柄1转动，当摇杆位于C1D时，如图7所示，通过连杆2传递到曲柄1上力的作用线经过曲柄的转动中心A，此时压力角α=90°，因此不产生驱动力矩来推动曲柄转动，而使整个机构处于静止状态，即α=90°，Ft=0，这种位置称为死点。若摇杆继续摆动，曲柄可能沿着原来的运动方向继续向前转动，也可能沿着与原来相反的方向转动，还可能由于转动副中摩擦阻力的影响卡死在该位置。

对某些机械机构来说，死点位置是工作过程中极为不利的位置，但在一些机构中也能得到很好的应用。如图8所示，工件夹紧机构利用机构的死点位置进行工作，当工件夹紧后BCD成一直线，在工件反作用力F作用下，由连杆BC传递到CD杆上的力经过其转动中心，机构处于死点位置，即使机构受很大的反力作用也可以保证在加工时工件不松动。

1.2.4    死点原理在抱箍锁紧装置中的应用

将连杆机构的死点原理运用到抱箍锁紧装置上，四连杆机构也可以演化成曲柄滑块机构，如图9所示。

油缸活塞收紧，活塞拉动推拉机构，当AC和BC共线的时候，正好是在死点位置。继续收紧油缸，使AC线超过BC线一个角度，越过死点位置，同时油缸活塞杆也已经全部缩回到位，此时锁紧机构完全是刚性连接。如果产生外力载荷（由于管线介质的重量或者装卸过程中产生的振动）作用在抱箍上，锁紧装置只会向收紧的方向运动，将抱箍Ⅰ和抱箍Ⅱ收紧，即使将油缸拆除，锁紧杆的运动方向也不会出现改变。

在B点销轴位置安装有一根安全销，如图10所示，安全销贯穿推拉机构和锁紧杆。当油缸活塞杆推出时，必须先要把安全销剪切断，推拉机构和锁紧杆才能完全分离，保证在任何振动或者额定的外载荷下，都不足以将安全销剪切断。

2 抱箍锁紧装置测试

抱箍锁紧装置的设计载荷[3]是基于紧急脱离装置内部压力PL和抱箍锁紧装置上的最大当量载荷LCA。LCA是指在装卸臂最恶劣工况下，作用在抱箍锁紧装置上的轴向力、径向剪切力和弯矩的组合。现从FEA分析和模拟工装试验台测试两方面对紧急脱离抱箍装置进行分析。