栈桥橡胶气囊充气系统的设计

2024-01-19郭子豪陈笑微王金涛

橡胶工业 2024年1期

郭子豪，陈笑微，严力，王金涛

（沈阳橡胶研究设计院有限公司，辽宁沈阳 110021）

随着海上运输对运力要求的不断提高，栈桥（海上浮桥）经常作为由船到岸的转运途径以承担人员、车辆和物资的运输[1-3]，然而其在实际使用中受制于海上环境的影响，其运力时常不足。针对于此，橡胶气囊（简称气囊）经常作为栈桥的水下助浮装置用于应急和救援[4]。

沈阳橡胶研究设计院有限公司近期开发了一种新型栈桥气囊系统，实现了气囊与浮桥钢结构的成功匹配，提高了栈桥的运力。

栈桥气囊系统除气囊外，还包括液压式充气系统和电气控制系统。本文重点介绍栈桥气囊充气系统的设计方案。

1 栈桥气囊系统的工作原理及其充气系统技术指标

1.1 栈桥气囊系统的工作原理

气囊安装在桥栈边桥节边箱的外侧和底部的凹槽内，以提供浮力和支撑。充气系统和电气控制系统安装在桥栈边桥节边箱的内部，用于自动控制气囊的充气与抽气。

1.2 充气系统技术指标

针对栈桥由船到岸的转运功能，需对气囊快速充气，使之能够快速响应以完成运输部署。因此，栈桥气囊的充气系统需满足充气速度快（整套装备的充气时间不长于8 min）、浮态稳定性好（在20 kPa的工作压力下保压时间不短于2 h，当压力降达到10%工作压力时须实现补气）、展开与回收功能匹配（充气装置可实现正反转，以实现气囊的充气展开与抽气回收）等要求。

2 栈桥气囊充气系统的设计与试验

2.1 充气原理

根据栈桥气囊系统的工作原理及充气系统技术指标，桥节只能供应24 V电压，无法对电动机、往复式空气压缩机等高电压设备进行供电。根据充气时间不长于8 min的要求，需要选用出风量较大的鼓风设备对气囊充气，且鼓风设备的风压应略高于气囊的使用气压[5]，因此本设计鼓风设备选用大风量的轴流风扇。

针对海上特殊的运输环境，栈桥单元使用液压方式进行展开和回收，设备无法使用大功率电器，而液压马达在回转运动机构中使用广泛，其输出扭矩平稳，可靠性高[6-7]，因此本设计选用液压马达驱动风泵旋转。栈桥气囊分为底气囊和侧气囊2种，囊体均采用由常态气囊（外层气囊）和应急气囊组成的双层结构。为实现系统的快速充放气，外层气囊设置2个充气口，应急气囊设置1个充气口，底气囊和侧气囊均有3个充气口。

针对上述工况，充气系统采用总-分的方式，即采用1条主管路和6条分管路系统对底气囊和侧气囊同时供气。每个充气口使用橡胶软管与管路相连，每个充气口支路上设置一个电磁球阀，充放气时开启，气密时闭合。管路根据桥节钢结构内部构造放置。

单桥节边箱气囊的充气原理如图1所示。

图1 单桥节边箱气囊的充气原理Fig.1 Inflation principle of single bridge side box airbag

2.2 设备参数的计算

2.2.1 风泵参数

栈桥气囊的底气囊安装于桥节钢结构底部，侧气囊安装于桥节钢结构侧面。为实现栈桥结构在水面的稳定性，根据其承载力及浮态稳定性等的计算，本设计底气囊容积为4.06 m³，侧气囊容积为5.47 m³。在使用过程中，气囊内部气压需达到20 kPa。根据气压公式[8-9]：

式中，P1和V1分别为气囊充满气体时的气压和体积，P2和V2分别为气囊达到工作压力的气压和还需充入气体的体积。

因此，单桥节边箱气囊充气8 min所需的气量为11.436 m3，即选用风泵的排气量至少为1.43 m3·min-1，且风泵鼓风气压需大于气囊工作气压（20 kPa）。

经计算，本设计选用风泵的正常额定转速（简称风泵转速）为3 000 r·min-1，功率为3 kW，流量为230 m3·h-1。

2.2.2 液压马达参数

根据供应充气系统的液压源参数，单个液压马达流量（Q1）为[10]

式中，Q为液压马达总排量，n为液压马达个数。

由式（2）可以得到Q1为17.5 L·min-1。

液压马达转速（N）为[11]

式中，V为液压马达排量。

由于液压马达转速高于风泵转速时风泵才能驱动，选用液压马达排量应小于5.83 mL·r-1，本设计选用排量为5 mL·r-1的液压马达为驱动装置，可得其转速为3 500 r·min-1。

2.2.3 扭矩参数

选择风泵及液压马达型号后，还需验证液压马达输出扭矩（简称液压马达扭矩）是否足够驱动风泵达到工作转速。

大风量多动力式风泵扭矩（简称风泵扭矩，T）计算如下[12]：

式中，P为风泵功率，n1为风泵额定转速。

计算可得风泵扭矩为10 N·m。

液压马达扭矩（L）计算如下[13]：

式中，ΔP为进出口压力差。

计算可得液压马达扭矩为18 N·m。

综上可知，本设计充气系统的液压马达转速＞风泵转速、液压马达扭矩＞风泵扭矩，去掉少量损耗，能够满足气囊在8 min内达到20 kPa的充气条件。

2.3 液压平衡阀（简称平衡阀）选型

平衡阀多用于起重液压系统中，通过改变阀芯与阀座间隙改变阀门处的流动阻力，使液压马达转速不受载荷的影响而保持平稳，从而达到调节流量的目的[14-15]。

在充气系统的液压管路中，由于液压马达要根据气囊充放气进行正反方向转动，平衡阀选用双向的类型。根据供应的液压源压力及流量、液压马达所需压力及流量，平衡阀选用的最大压力为35 MPa，最大流量为40 L·min-1。

2.4 管路系统安装方式

管路系统分为动力部分和管路部分。

2.4.1 动力部分

管路系统的动力部分用于驱动风泵。动力装置包括平衡阀、平衡阀支架、硬油管、液压马达、液压马达支架、联轴器和风泵。平衡阀上装有变径对丝，其与平衡阀之间使用锥口密封方式，与硬管之间使用橡胶O形圈密封。液压马达两侧各装有一个平口对丝，平口对丝内部通过O形圈、外部通过组合垫片实现密封。联轴器两端通过键连接方式安装在液压马达和风泵的轴端上。

使用螺栓及螺母将平衡阀安装在平衡阀支架上，根据平衡阀与硬管连接所需要的高度调节好支架的高度（见图2）。将硬油管直线端的螺母连接至安全阀前端的对丝上并进行密封，硬油管U形端的螺母连接至液压马达的对丝上（见图3）。为适应水上使用工况，硬油管和支架等零件均采用不锈钢。