一种船用A60级防火移门气动系统
2022-10-25杨朋朋阚净彭永健陈黎明秦荣俊
杨朋朋，阚净，彭永健，陈黎明，秦荣俊
(无锡海核装备科技有限公司 ，江苏无锡 214000)
0 前言
A60级防火移门是一种应用于船舶上的舱壁开口关闭装置，除货物处所、特殊处所、储藏间和行李室之间的舱口以及这些处所与露天甲板之间的舱口外，文中所述移门也常应用在客船和甲板上的开口处。其功能是在关闭时能够屏蔽风雨，同时在船舱发生火灾的情况下能够阻止火焰和烟雾等通过，起到隔离和安全保护的作用。根据船检规范，它的功能主要需满足以下要求：门为自闭型；移动速率为0.1～0.2 m/s，并可以调节；可以远程遥控；设有应急蓄能装置，并且在主气源断掉后蓄能气源可以自动切入；关闭过程遇障碍物时能够重新开启；当发生火灾，温度超过200 ℃时，火警开关工作，实现蓄能装置排气和门体自动关闭同步进行，并保证门体最终关闭。现有移门有些采用液压缸驱动，液压泵站作为动力油源。由于需要配置液压泵站，增加了系统的占用空间，同时液压系统的泄漏也容易导致现场环境的污染，尤其是使用在豪华邮轮上时，对系统的清洁要求更加严格。还有一些移门虽然采用气缸推进，但是集成阀组采用的是外置标准换向阀件，存在大量的外接管路，导致现场紊乱，同时大量的管路也增加了漏气的风险。本文作者开发一种移门气动系统，将换向阀、调压阀等数十个阀件阀芯高度集成在一个阀块上，同时将阀块集成在气缸尾部，实现产品的高度集成化和高可靠性。该系统已经过试验验证并已实际应用于产品上，性能良好。
1 产品相关结构组成和主要功能介绍
A60级防火移门机械结构主要由门框、门体、导轨、防撞机构和其他一些辅助结构组成，气动驱动系统主要由主驱动气缸、集成阀组、火警阀、锁紧气缸、按钮阀、安全阀、气瓶组、屏蔽箱、常开按钮和其他一些气动管件组成。具体如图1所示。
图1 A60级防火移门相关结构组成
主要功能：
(1)自闭型。正常情况下门体保持关闭状态，短时打开后，能够自动恢复到关闭状态。
(2)手操开门。手动操作按钮阀，门体受主气缸驱动实现门体的打开。
(3)开门保持。点动常开按钮，主气缸驱动门体打开，并保持；再点动常开按钮，开门保持取消，门体恢复常闭状态。
(4)远程屏蔽。远程操控相关阀件，实现远程开门屏蔽，此时“开门保持”功能失效，门处在常闭功能状态。
(5)专人开门。在门处在远程屏蔽状态时，只有拥有权限的人员，通过操作钥匙阀才能够开启门体。
(6)防夹功能。门体在关闭过程中如果碰到阻挡，门体能够向着打开方向运动，实现防夹功能，并且门体反向运动的行程可以进行大致调节，以保证门体的回弹距离可控。
(7)气动应急。当主气源停止供气时，应急气源能够自动切换来代替主气源工作，实现气动应急开关门功能，并且应急次数不少于10次。
(8)手动应急。当气源停止供气、应急气源耗尽时，能够通过纯手动操作实现开关门功能。
(9)火灾保护。当发生火灾时，气动系统能够自动切断主气源、排尽应急气源，排气时如果门体处在开的状态，还应能够同时确保门体自动关闭，实现火灾保护功能。
2 气动系统原理实现
该气动移门的气动原理如图2所示。它主要由主气缸、锁紧气缸、集成阀组、气瓶、安全阀、截止阀、按钮阀、钥匙阀、电磁阀和机械阀组成，其中关键部件为主气缸和集成阀组。主气缸作为开关门的执行机构，同时气缸杆的内部又设计了通道，可作为控制气体的气路通道。图3所示为主气缸结构简图。
图2 气动原理
图3 主气缸结构简图
集伐阀组由若干个气动元件组合而成，其外形如图4所示，原理见图2，实物如图5所示。由于涉及到技术保密，此处不针对集成阀组内部设计进行详细介绍，仅进行原理性介绍。
图4 集成阀组外形
图5 集成阀组
结合气动系统原理图，各主要功能实现方式如下：
(1)自闭功能。开通气源，压缩空气从E口经过滤器3.14,分别接通主阀3.12和梭阀3.13，压缩空气经梭阀3.13连通主换向阀3.12的左控制腔，此时主换向阀工作在左位机能，压缩空气依次经主换向阀左位机能、单向阀3.11进入压缩气瓶4，进行充气工作，同时经减压阀3.7分别连通气控阀3.2和3.5，此时，按钮阀7、机械阀10和钥匙阀8都处于关闭状态，则气控阀3.5在左腔压力作用下工作在左位机能，此时气控阀3.2工作在右位机能，即工作气体经气控阀3.2进入主气缸有杆腔，使气缸杆保持在缩回的状态，即门体常闭状态。
(2)手操开门。手动操作按钮阀7，气控阀3.5左腔压力被释放，气控阀3.5在弹簧力作用下工作在右位机能，压缩空气经气控阀3.5和梭阀3.4进入主气缸无杆腔和气控阀3.2左控制腔体使气控阀3.2工作在左位机能，此时，主气缸活塞杆推出，驱动门体实现开门功能。
(3)开门保持。使电磁阀3.6持续得电，此时压缩气体经主控制阀3.12左位机能、电磁阀3.6右位机能和梭阀3.4进入主气缸无杆腔和气控阀3.2左控制腔体使气控阀3.2工作在左位机能，主气缸活塞杆推出，驱动门体实现开门保持功能。
(4)远程屏蔽。远程操控使电磁阀9得电，电磁阀9工作在左位机能，切断气路，使得按钮阀7.2失效，同时使电磁阀3.6一直断电，门一直处在常闭状态，实现远程屏蔽功能。
(5)专人开门。在门处在远程屏蔽状态时，具有钥匙阀钥匙的乘务人员，可以通过操作钥匙阀实现门的打开，此时原理与“手操开门”原理相同，只是通过操作钥匙阀8进行控制。
(6)防夹功能。门体前端设置活动的机械部件，在关闭过程中如果碰到阻挡，机械部件会触发机械阀10，机械阀10将先导气源放掉，门体向着打开方向运动，实现防夹功能。
(7)气动应急。当主气源停止供气时，气瓶4里存储的应急气体一路经梭阀3.13控制主换向阀3.12，使其维持在左位机能，避免应急气源外泄，另一路经减压阀3.7代替主气源工作，实现应急气源自动切换来代替主气源工作。
(8)手动应急。当气源停止供气、应急气源耗尽时，打开应急阀3.1，阀3.1工作在右位机能，气缸两腔连通大气，此时只需通过人力操作，克服机械摩擦力，即可实现门体的开关动作。
(9)火灾保护。当发生火灾时，火警阀3.16或3.17工作，将主控阀3.12控制气体放掉，主控阀切换到右位机能工作，主气源关闭，同时应急气瓶中气体经主换向阀和节流调速阀3.15排向大气，气动系统自动切断主气源、排尽应急气源；由于气瓶排气经过节流调速阀3.15，所以排气过程需要一段时间，此时如果门体处在开的状态，那么在这一段时间能够保证门体的自动关闭，实现火灾保护功能。
3 主气元件设计计算
由门体机械参数需求，移动门体所需要的推力=500 N、门体行程=1 340 mm，应急气源保证应急次数为10次。
3.1 主气缸主要参数计算
参考图3，由单活塞杆气缸工作特点可知，同样压力作用下其拉力小于推力，因此在计算确定气缸缸径和杆径时，以气缸拉力满足移动门体所需推力计算即可。同时，结合气动原理可知，在主气缸杆回拉的时候，由于先导气压的存在，导气腔对主活塞杆会产生一个推力，因此主气缸在回拉时的实际拉力为
=-
(1)
式中：为主气缸工作时的实际拉力；为主气缸活塞杆有杆腔产生的拉力；为主气缸导气腔对活塞杆产生的推力。
参考手册，气缸有杆腔拉力计算公式如下：
(2)
式中：为气缸额定工作压力；为主气缸缸径；为主气缸活塞杆杆径。
结合气动原理可知，在主气缸杆回拉的时候，由于先导气压的存在，导气腔对主活塞杆会产生一个推力，即：
(3)
式中：为导气杆活塞直径。
令:
=
(4)
式中：为活塞杆与活塞缸的直径之比。
将式(2)—(4)分别代入式(1)后转换可得
(5)
将已知量代入式(5)，即可得主气缸相关尺寸参数，具体数据在此不予细述。
3.2 气瓶容积计算
根据上述所确定的主气缸参数和门体具体行程，可以计算出主气缸在门的一个往复行程中所需要消耗的额定工作压力下的气体体积。
由流体力学可知，等温变化过程是指在气体温度保持不变的条件下，一定质量气体所进行的状态变化过程。当气体状态变化很慢时，可视为等温变化过程，如气动系统中的气缸慢速运动、管道送气过程等。
等温过程状态方程：
=
(7)
式中：为气体压力；为气体体积；为常数。
由于气缸所需额定压力下的气体为气瓶提供，当气瓶供气到最终状态时气瓶内的气体压力至少为额定工作压力。气瓶内初始充气压力为,由于气动管路中气体容积相对很小，在此忽略不计。参考等温过程状态方程可得：
=(+)
(8)
式中：为气瓶充气压力；为气瓶容积；为所需额定工作压力下的应急气体体积。
将式(8)变换可得：
(9)
将已知量代入式(9)，即可获得所需要的应急气瓶的体积参数，具体数据在此不予细述。
在以上设计计算的基础上，结合系统原理、参考标准气动元件参数，同时使用三维设计软件进行实体建模设计，并进行相应的优化具体结构，在此不予详细描述。
4 试验验证情况
该系统通过了样机试制和试验，同时使用程序控制进行了50 000余次的往复动作试验，对该系统的功能性能和可靠性进行实际验证。在50 000次的反复试验中，除因在长时间试验过程中空气压缩机故障导致系统中间试验停止外，该系统未出现任何卡阀、泄漏等故障，试验结果良好。产品外观如图6所示。
图6 产品外观
5 结论
(1)为了获得一个更加环保、安全和紧凑的移门驱动系统，本文作者开发了一种气动驱动系统，通过详细的设计和样机制造及试验，验证了所设计的气动驱动系统能较好地实现目标功能。
(2)目前市面上气动阀件一般以独立元件存在，不像液压螺纹插装阀可以很方便地集成在液压阀块里面。文中设计的气动元件以插装的方式集成在阀块里，能够较好地实现气动系统的高集成性和高可靠性。
(3)该系统所有功能都经过了实际的试验验证，试验结果良好。截至目前已经实现了产品的批量化生产交付，得到了较好的社会效益。
