艉滑道式小艇收放裝置液壓系統(tǒng)的設計與分析

劉 輝 趙遠征 嚴 軍

1中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064 2海軍裝備部艦船辦，北京100071

艉滑道式小艇收放裝置液壓系統(tǒng)的設計與分析

劉 輝1趙遠征2嚴 軍1

1中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064 2海軍裝備部艦船辦，北京100071

為實現(xiàn)小艇安全快捷地收放，以執(zhí)行水面作業(yè)、海上人命救生和遇難船舶施救等任務，設計了一種艉滑道式小艇收放裝置液壓系統(tǒng)，并對艉門負載特性以及手動釋放液壓回路的性能進行了分析。所設計的系統(tǒng)具有以船電為動力的正常收放和母船失電后的手動釋放兩種功能，能夠滿足2009年9月新版《船舶與海上設施法定檢驗規(guī)則》的規(guī)定，具有功能齊全、放艇快捷及安全可靠等特點。

小艇；收放裝置；液壓系統(tǒng)；手動釋放

0 引 言

小艇是船舶的法定安全設備。小艇收放裝置能將小艇和人員降放至水面，以執(zhí)行水面作業(yè)、海上人命救生及遇難船舶的施救等工作，在任務完成后，還要將小艇和人員順利回收至母船［1］。因此，小艇收放裝置對于小艇安全迅速地降放和回收、提高工作效率、爭取救援時間、最大限度地減少人員傷亡和財產(chǎn)損失具有重要作用。

由于船用吊機和吊艇架等傳統(tǒng)小艇收放裝置存在速度慢、費時長、受海況環(huán)境影響大和安全性能不高等缺點，因而不符合海事船舶搜巡救助一體化的需要［2］。近年來，所發(fā)展的艉滑道式小艇收放裝置以其收放簡便快捷、安全可靠，能在較高的海情下工作等優(yōu)點，得到了廣大船舶用戶的認可，具有良好的發(fā)展前景和應用價值。

目前，艉滑道式小艇收放裝置均采用液壓驅動，并以船電為動力來實現(xiàn)小艇的正常收放，但若母船失去電力供應，小艇收放裝置將無法工作。為了保證在母船因故障或遇險等極端情況下，還能對小艇實施手動降放，以使船員緊急撤離，2009年9月新版的《船舶與海上設施法定檢驗規(guī)則》［3］規(guī)定，當小艇（或救助艇）準備齊全，且處于滿載或輕載狀態(tài)時，釋放該小艇的收放裝置不得依靠除重力或不依賴船舶動力的任何儲存機械動力以外的任何方式。此外，還要求小艇釋放裝置持續(xù)處于準備使用狀態(tài)，在不超過5 min的時間范圍內即可降落。由此可見，原先設計的依靠母船電力供應的小艇收放裝置已不能滿足上述規(guī)定。因此，當務之急是要研制出一種既能依靠船電供應來實施小艇的正常收放，又能在母船失電時以儲存的液壓能為動力來實現(xiàn)小艇手動釋放的收放裝置液壓系統(tǒng)。

1 收放裝置的結構原理

如圖1所示，小艇收放裝置由艉門1、收放滑道2、艉門鎖液壓缸5、艉門開關6、艉門液壓缸8、液壓系統(tǒng)9、液壓馬達11、脫鉤裝置12等部件組成［4］。該小艇收放裝置可在母船中速航行時對小艇進行釋放和回收。釋放小艇時，當小艇乘員在艇內就位后，去掉固定艇的鋼纜，通過液壓系統(tǒng)使艉門鎖液壓缸5開啟，艉門液壓缸8通過艉門開關6使艉門1下放，然后使脫鉤裝置12快速脫開，小艇靠重力快速自動下滑到水面上。必要時，也可用液壓馬達11通過絞車使小艇緩慢降放。

1—艉門 2—收放滑道 3—標志桿4—強光方位燈 5—艉門鎖液壓缸 6—艉門開關7—艉門鉸鏈 8—艉門液壓缸 9—液壓系統(tǒng)10—收放系統(tǒng)操縱臺 11—液壓馬達 12—脫鉤裝置13—固定繩 14—艏部托座

回收小艇時，先通過艉門液壓缸8使艉門1下放，小艇以高于母船的航速沖進艉滑道，由滑道前方的液壓馬達11通過絞車用鋼纜將小艇拉離水面，在收至要求的位置后，快速脫鉤掛住小艇，然后再由艉門鎖液壓缸5可靠固定，最后通過艉門液壓缸8使艉門1回收。

2 收放裝置液壓系統(tǒng)設計

收放裝置液壓系統(tǒng)是實施小艇快速收放的關鍵設備。根據(jù)2009年9月新版《船舶與海上設施法定檢驗規(guī)則》的規(guī)定，所設計的小艇收放裝置液壓系統(tǒng)具有以船電為動力的正常收放和母船失電后的手動釋放兩種功能，其液壓原理如圖2所示。

圖2 船載小艇收放裝置液壓系統(tǒng)原理圖Fig.2 The hydraulic system principle of launch and retrieval device for the ship's boat

2.1 以船電為動力的正常收放

當母船處于完備狀態(tài)，液壓系統(tǒng)以船電為動力實施小艇的正常收放時，應關斷高壓球閥8，21和31（圖2），然后啟動電動機1，將液壓泵2的設定壓力調定為18 MPa，電磁溢流閥14的設定壓力調定為21 MPa。而液壓泵在向手動比例換向閥17，18和19的進油口供油的同時，也通過單向閥13向蓄能器12供油，使蓄能器儲存一定的液壓能源，以便母船失電后可實現(xiàn)小艇的手動釋放。

操作手動比例換向閥19，使其處于上位工況，液壓油進入2臺艉門鎖液壓缸33的有桿腔，艉門鎖打開。艉門鎖打開后，再使手動比例換向閥19處于中位，艉門鎖液壓缸在液壓鎖34的作用下鎖定在打開位置。操作手動比例換向閥18，使其處于上位工況，壓力油經(jīng)抗衡閥32進入2臺艉門液壓缸30的無桿腔，活塞桿伸出，使艉門下放。當艉門下放至所要求的位置后，再使手動比例換向閥18處于中位，艉門液壓缸在抗衡閥32的作用下保持在下放位置不變。操作手動比例換向閥17，使其處于上位工況，壓力油經(jīng)梭閥22使制動器26打開，并使液壓馬達25旋轉，使小艇下放。平衡閥23能在液壓馬達25的回油路上產(chǎn)生背壓，以使小艇的降放速度平穩(wěn)。當小艇下放至水面后，再使手動比例換向閥17處于中位。

當收回小艇時，艉門處于下放位置。在小艇沖進艉滑道后，將小艇系上鋼纜，使手動比例換向閥17處于下位工況，液壓馬達25通過絞車將小艇收回。小艇收回到位后，使手動比例換向閥17處于中位，制動器26對液壓馬達制動。然后，再使手動比例換向閥18處于下位工況，艉門液壓缸30有桿腔進油，使艉門收回。艉門收回到位后，再使手動比例換向閥18處于中位、手動比例換向閥19處于下位工況，壓力油進入艉門鎖液壓缸33的無桿腔，從而鎖緊艉門。

2.2 母船失電后的手動釋放

如果母船因故障或遇險等原因失去了動力，小艇可依靠蓄能器中儲存的液壓來實現(xiàn)手動釋放。由于單向閥13為錐面密封，幾乎無內泄，因此當小艇正常釋放時，液壓泵2充入蓄能器12中的壓力油能夠保持相當長的時間。并且，液壓泵每次啟動都能向蓄能器自動充油，以補償單向閥13等元件的內泄漏。

進行手動釋放時，先打開高壓球閥8，21和31，蓄能器排出的壓力油經(jīng)節(jié)流閥9進入手動比例換向閥的進油口。操作手動比例換向閥19，使其處于上位工況，艉門鎖打開。艉門鎖打開后，再使手動比例換向閥19處于中位，艉門鎖液壓缸在液壓鎖34的作用下，鎖定在打開位置。

操作手動比例換向閥18，使其處于上位工況，壓力油經(jīng)抗衡閥32進入2臺艉門液壓缸30的無桿腔，艉門液壓缸30有桿腔的回油經(jīng)高壓球閥31、調速閥29和單向閥28又回流至無桿腔，從而實現(xiàn)艉門液壓缸的差動連接，此時，活塞桿伸出，艉門下放。在艉門下放至所要求的位置后，再使手動比例換向閥18處于中位，艉門液壓缸在單向閥28和抗衡閥32的作用下保持在下放位置不變。打開小艇上的脫鉤裝置，小艇在重力的作用下沿滑槽降放至水面，從而實現(xiàn)小艇在母船失電后的手動釋放。通過調節(jié)調速閥29的通流面積，可調整艉門的降放速度。如果要求艉門的降放速度加快，而蓄能器供油又不充分，艉門在降放過程中可通過吸入閥27、高壓球閥21從油箱11中吸油，以防止艉門液壓缸吸空而出現(xiàn)振動和噪聲。

2.3 液壓系統(tǒng)的設計特點

1）液壓系統(tǒng)中選用的液壓泵為壓力—流量型軸向柱塞泵，一方面，能使液壓泵的供油壓力恒定，另一方面，液壓泵的輸出流量與各液壓缸或液壓馬達所需要的流量匹配，功率損失小，效率較高。

2）為了使系統(tǒng)結構緊湊、操作方便，在設計時，選用三聯(lián)多路手動比例換向閥來實現(xiàn)艉門鎖液壓缸、艉門液壓缸以及液壓馬達的方向控制和速度調節(jié)。

3）在艉門鎖液壓缸的進回油路上設置了液壓鎖，從而能保證在艉門開啟時，艉門鎖處于完全打開的位置，在艉門回收時，能將艉門可靠鎖緊。在艉門液壓缸的進回液路上，設置了抗衡閥，該閥的作用是在艉門收放時的回油路上產(chǎn)生背壓，從而使艉門收放平穩(wěn)，不受重力和浪涌的影響。此外，在釋放小艇時，在液壓馬達的回油路上所設置的平衡閥也能起到平衡重力的作用，并使小艇降放平穩(wěn)。

4）母船失電后的手動釋放采用蓄能器為動力。由于每次以船電為動力對小艇實施正常收放時均能對蓄能器實現(xiàn)自動補油，而且蓄能器排油口處單向閥等元件的密封性好，因此，蓄能器能在相當長的時間范圍內保持手動實施所需的儲存液壓能，從而滿足新版《船舶與海上設施法定檢驗規(guī)則》的規(guī)定要求。

5）在手動釋放時，將艉門液壓缸設計成差動連接，這樣不僅可以使蓄能器的總容積小、重量輕，而且還可減少母船的載重量。在艉門釋放時，艉門液壓缸回油路上設置有節(jié)流閥和單向閥，進油路上并聯(lián)有吸入閥，一方面能在回油路上產(chǎn)生背壓，使艉門開啟平穩(wěn)，并不受浪涌的影響；另一方面能通過調節(jié)節(jié)流閥來調整艉門的開啟速度，并防止艉門液壓缸吸空。

3 手動釋放液壓回路性能分析

圖1中，艉門重量約為3 300 kg，艉門液壓缸缸徑D1＝125 mm，活塞桿直徑d1＝80 mm，最大行程S1m＝1 800 mm；艉門鎖液壓缸缸徑D2＝32 mm，活塞桿直徑d2＝20 mm，行程S2m＝30 mm。圖2中，液壓系統(tǒng)的設定壓力為18 MPa，最大輸出流量為22 L/min。在以船電為動力使小艇正常收放時，艉門液壓缸為非差動連接，其有效面積較大，并且系統(tǒng)有足夠的輸出壓力和流量使得艉門液壓缸、艉門鎖液壓缸及液壓馬達驅動其負載，從而使液壓鎖開閉、艉門收放以及小艇的釋放與回收時間均能滿足要求。而在小艇手動釋放時，艉門液壓缸為差動連接，蓄能器的總容量及其充氣壓力、各流量閥調節(jié)流量的設定均對艉門的開啟狀態(tài)及開啟時間有直接影響。因此，有必要對艉門開啟時的負載特性及手動釋放液壓回路的性能進行分析。

3.1 艉門開啟時的負載特性

艉門在開啟過程中，艉門液壓缸會承受艉門重力F1，以及兩艉門液壓缸和艉門開關摩擦力F2的作用。經(jīng)實測，F(xiàn)1，F(xiàn)2及F（F為艉門液壓缸所受的總負載力）與艉門旋轉角度α及艉門液壓缸行程S1的關系曲線如圖3所示。

圖3 艉門開啟時的負載特性Fig.3 Load characteristics in the opening process of stern gate

由圖3可見，當艉門的旋轉角度α＜15°（對應艉門液壓缸的行程S1＝300 mm）時，艉門重力對艉門液壓缸的作用力F1為正值，即表示艉門液壓缸所受艉門重力的作用為阻力負載（作用力的方向與艉門液壓缸的運動方向相反）；當艉門的旋轉角度α=15°時，F(xiàn)1＝0，艉門的重心正好位于圖1艉門鉸鏈的垂線上；當艉門的旋轉角度α＞15°時，艉門重力對艉門液壓缸的作用力F1為負值，即表示艉門液壓缸所受艉門重力的作用為超越負載（作用力的方向與艉門液壓缸的運動方向相同）；當艉門的旋轉角度α=90°時，即表示艉門已開啟至所要求的位置（對應艉門液壓缸的最大行程S1m＝1 800 mm）。艉門液壓缸和艉門開關的摩擦力F2是隨艉門開啟角度α或艉門液壓缸行程S1的增加而增大。

由圖3可得出，艉門在開啟過程中，艉門液壓缸所受的總負載力F為：

3.2 蓄能器總容量的計算

1）采用差動聯(lián)接時，2臺艉門液壓缸所需的油液容積ΔV1（L）按下式計算：

式中，n1為艉門液壓缸的數(shù)量，n1＝2。

2）打開2臺艉門鎖液壓缸所需的油液容積ΔV2（L）按下式計算：

式中，n2為艉門鎖液壓缸的數(shù)量，n2＝2。

3）蓄能器的有效排液量 ΔV′（L）為［5］：

式中，k1為考慮液壓缸、管路及管路上的各閥件泄漏時的系數(shù)，取k1＝1.1。

4）蓄能器總容積的確定［6］。

將蓄能器最低工作壓力p1設定為5 MPa，最高工作壓力p2設定為18 MPa。蓄能器的充氣壓力（MPa）為：

式中，k2為系數(shù)，取k2＝ 0.09。

蓄能器的總容積V0′（L）按下式計算：

式中，n為氣體多變指數(shù)，n=1～1.4，取n=1.25。

根據(jù)以上計算，可選擇總容積V0＝40 L的皮囊式蓄能器，該蓄能器所排出油液的有效容積ΔV（L）為：

3.3 液壓回路性能分析

為了更方便地分析手動釋放液壓回路的性能，可將圖1中涉及手動釋放的液壓元件及油路進行簡化，簡化后的液壓原理圖如圖4所示。

3.3.1 流量閥的設定流量及艉門開啟時間

由于小艇在釋放過程中約需要不超過3 min的時間為小艇脫鉤及人員做準備工作，因此，為使小艇釋放時間不超過5 min，可將艉門開啟時間t1定為2 min。因此，圖4中調速閥9的設定流量q3（L/mm）按下式計算：

1—蓄能器 2—節(jié)流閥 3—抗衡閥4—油箱 5，7—高壓球閥 6，8—單向閥9—調速閥 10，11—艉門液壓缸

由于調速閥具有壓力補償功能，當其設定的流量調定后，通過該閥的流量便基本不受負載變化的影響。因此，可認為在艉門開啟過程中流量q3不變，艉門開啟時間t1=2 min。

為了減小艉門液壓缸有桿腔的背壓，圖4中節(jié)流閥2的設定流量q1應略小于調速閥9的設定流量q3。因此，2臺艉門鎖液壓缸的開啟時間t2（min）可按下式計算：

根據(jù)式（8）和式（9），便可計算出艉門開啟時間t（min）。

3.3.2 艉門液壓缸及艉門鎖液壓缸活塞桿的運動速度

艉門液壓缸活塞桿的運動速度υ1（m/s）及艉門鎖液壓缸活塞桿的運動速度υ2（m/s）分別按式（11）和式（12）計算。

3.3.3 艉門液壓缸無桿腔及有桿腔的油壓

圖4中，單向閥8的壓力損失Δp4＝0.05 MPa；當調速閥9的設定流量q3=9.04 L/min時，其壓力損失 Δp3≈ 2.5 MPa［7］。由于抗衡閥 3的設定壓力為3 MPa，因此，當艉門液壓缸差動連接時，艉門液壓缸有桿腔的壓力油不能通過抗衡閥3回油箱。由圖4可寫出液壓缸活塞桿的受力平衡方程為：

式中，p3為艉門液壓缸無桿腔的油壓；p4為艉門液壓缸有桿腔的油壓，p4=p3+Δp3+Δp4。

由式（13）及圖3可擬合出艉門液壓缸無桿腔的油壓 p3及有桿腔的油壓 p4與艉門開啟角度α及艉門液壓缸行程S1的關系曲線，如圖5所示。

圖5 艉門開啟時艉門液壓缸無桿腔及有桿腔油壓變化曲線Fig.5 Pressure curves in non-rod cavity and rod cavity of the cylinder in the opening process of stern gate

由圖5可見，當艉門開啟時，艉門液壓缸無桿腔及有桿腔的油壓是隨其開啟角度及艉門液壓缸行程的變化而變化。艉門液壓缸有桿腔的油壓要高于無桿腔的油壓，其最大值為5.5 MPa，遠低于艉門液壓缸的額定工作壓力。

4 結 語

本文所設計的小艇收放裝置液壓系統(tǒng)具有以船電為動力的正常收放和母船失電后的手動釋放兩種功能。當以船電為動力對小艇正常收放時，系統(tǒng)具有足夠的輸出壓力和流量用以完成收放任務，同時還通過向蓄能器充油，使蓄能器持久儲存一定的液壓能。當母船失電后手動釋放小艇時，便可以蓄能器所儲存的液壓能為動力，艉門液壓缸采用差動連接，以減小蓄能器的總容積和重量。通過對小艇手動釋放液壓回路的性能分析可知，艉門的降放時間不超過2 min，若包含小艇脫鉤及人員準備時間（不超過3 min），則小艇釋放時間不超過5 min，很好地滿足了新版《船舶與海上設施法定檢驗規(guī)則》的規(guī)定要求，且艉門液壓缸的工作壓力不超過5.5 MPa，保證了艉門液壓缸的使用壽命。所設計的小艇收放裝置液壓系統(tǒng)具有結構簡單、操作方便、可靠性高及使用壽命長等特點，其對于小艇安全快捷地釋放，使其順利完成任務具有重要作用。

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Hydraulic System Design and Analysis of Stern-Slipway Launch and Retrieval Device for Ship's Boat

LIU Hui1ZHAO Yuan-zheng2YAN Jun1

1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China 2 Ship Office，Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100071，China

In order to launch and recover boat safely and quickly for mission such as surface operations，rescuing marine life and vessels in distress，designing the hydraulic system of stern-slipway launch and re?trieval device，and the load characteristics of stern gate and the performance of manual release hydraulic circuit were analyzed.The proposed system has two functions，namely normal retractable driven by elec?tricity and manual release when mother ship loses its power.And the system can meet the requirements of the September 2009 edition of“The Rules of Statutory Inspection for Ships and Marine Facilities”，and has several features，such as multiple functions，quick operation，safety and reliability.

boat；launch and retrieval device；hydraulic system；manual release

U664.8

A

1673－3185（2012）03－68－06

10.3969/j.issn.1673－3185.2012.03.013

2010－07－14

劉 輝（1971－），男，碩士，高級工程師。研究方向：船舶系統(tǒng)。E?mail：l10925＠163.com

趙遠征（1978－），男，碩士，工程師。研究方向：艦船機械。E?mail：13401066475＠139.com

劉 輝。

［責任編輯：饒亦楠］