島際客滾船艏艉門液壓系統(tǒng)的優(yōu)化研究

袁對(duì) 陳建良

摘 要：筆者通過(guò)對(duì)島際客滾運(yùn)輸船舶艏艉門液壓系統(tǒng)目前存在的故障頻繁、系統(tǒng)可靠性低等問(wèn)題的觀察，運(yùn)用液壓系統(tǒng)常用公式和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行原因分析。剔除次要因素，著重關(guān)注該液壓系統(tǒng)中有關(guān)液壓沖擊、液壓閥件操縱柔和性及液壓系統(tǒng)操縱安全保護(hù)等因素。并根據(jù)分析的原因提出在原有液壓系統(tǒng)及控制環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上進(jìn)行液壓閥件選用優(yōu)化、系統(tǒng)管路檢查修正、增設(shè)系統(tǒng)安全保護(hù)環(huán)節(jié)等有效的優(yōu)化改建措施，形成較為完善的操控系統(tǒng)，確保該類型船舶艏艉門液壓系統(tǒng)正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：液壓 沖擊 安保系統(tǒng) 優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U67 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）09（c）-0066-03

客滾船又稱滾裝客船，是以裝滿集裝箱或貨物的車輛為運(yùn)輸單元兼顧旅客運(yùn)輸?shù)拇?。一般裝載時(shí)車輛通過(guò)艏艉門（跳板）開進(jìn)汽車艙內(nèi)，到達(dá)目的港后車輛可直接開往收貨單位。目前是海島區(qū)域島際交通的主要運(yùn)輸設(shè)施，該船型一般有一層或多層甲板便于貨運(yùn)單元放置，上甲板為平整板面，沒(méi)有設(shè)置艙口，也沒(méi)有起重設(shè)備。船舶出入口通常設(shè)于首尾部，設(shè)有連接跳板與岸基液壓連接橋搭接，用于滾裝貨上下船，航行時(shí)，艏艉門（跳板）矗立在船舶首尾。

客滾船液壓系統(tǒng)包括液壓舵機(jī)系統(tǒng)、錨機(jī)絞纜機(jī)系統(tǒng)、艏艉門液壓系統(tǒng)等。目前該區(qū)域內(nèi)客滾船所使用的艏艉門液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障頻繁，系統(tǒng)可靠性低，并存在一定安全隱患。該文主要關(guān)注船舶艏艉門液壓及其控制系統(tǒng)的問(wèn)題及優(yōu)化措施。

1 故障案例

案列1：某小型島際客滾船2013年5月某航次中操作人員在開航前收起艏門時(shí)因操作失誤導(dǎo)致艏門過(guò)度收緊后鋼絲繩受損，并引發(fā)液壓系統(tǒng)阻力過(guò)大安全閥動(dòng)作和部分油管泄漏事故。操作人員因時(shí)間緊未及時(shí)更換鋼絲繩，致使在到達(dá)目的港后下放過(guò)程中單邊斷裂，艏門砸落至連接橋，直接損失大3萬(wàn)多元。

案例2：根據(jù)公司反映2012—2014年間多條同類型船舶發(fā)生開航前艏艉門收起過(guò)程中液壓油管爆裂及連接接頭泄漏導(dǎo)致艉門無(wú)法及時(shí)收起故障。經(jīng)緊急搶修更換管路后才勉強(qiáng)收起，不但影響開航，還因處置不及時(shí)發(fā)生泄漏液壓油流入海面的污染事故。

根據(jù)筆者現(xiàn)場(chǎng)考察，該系統(tǒng)在離靠港操作過(guò)程中還存在振動(dòng)過(guò)大、 噪音大、安保裝置缺乏等缺陷。對(duì)旅客的安全性和舒適性造成一定威脅。

2 系統(tǒng)的基本原理及故障主要原因分析

該型客滾船的艏艉門收降系統(tǒng)為液壓控制，基本原理如圖1。

從上述案例和原理圖（圖1）我們可以發(fā)現(xiàn)該類型船舶液壓操控系統(tǒng)配置簡(jiǎn)易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本和維護(hù)成本相對(duì)較低，但需要熟練人工的操作，一旦固定的熟練工人更換后容易出故障，根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示上述案例都是在換員和更改航線后發(fā)生的。人為因素的影響概率很大，一旦出現(xiàn)差錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致無(wú)法放客或上客等影響航次任務(wù)情況。

眾所周知，分析液壓系統(tǒng)中的故障除了考慮油液清潔問(wèn)題外還應(yīng)格外關(guān)注系統(tǒng)的振動(dòng)及液壓沖擊，尤其是液壓管路“爆管子”之類的故障。上述案例分析我們發(fā)現(xiàn)人為操作因素是第一位的，但多次導(dǎo)致系統(tǒng)管路爆裂、泄漏重點(diǎn)還是考慮該液壓系統(tǒng)在使用過(guò)程中存在較大液壓沖擊問(wèn)題。

液壓系統(tǒng)中當(dāng)油液流速由于閥門的突然關(guān)閉等原因發(fā)生突變時(shí)，或油液方向由于執(zhí)行元件急速的換向等原因發(fā)生突變時(shí)，使系統(tǒng)中流體壓力急劇交替升降的過(guò)程稱為液壓沖擊（即“水錘現(xiàn)象”）。按常規(guī)液壓沖擊可分為“直接水錘”“間接水錘”兩種。

一般操縱控制閥在開啟時(shí)間T開和關(guān)閉時(shí)間T關(guān)都非常短的情況下會(huì)發(fā)生“直接水錘”。其值可用下述通用計(jì)算公式表示。

ΔP 直接=α·ρ·（V 1-V 2）

式（1）中ΔP 直接為受直接沖擊時(shí)管路內(nèi)壓力增大值；

α為沖擊波在管路內(nèi)的傳播速度，m/s ；

ρ為液壓流體密度， kg/m3；

V 1為管內(nèi)液體原來(lái)流速，m/s；

V 2為流道關(guān)閉后液流的流速， 假設(shè)V2 =0。

其中式（1）中：

E 0 為液體體積彈性模量， Pa ；

E 為管路材料彈性模量， Pa ；

d 為管路內(nèi)徑，m ；

δ為管壁厚度，m。

當(dāng)操縱控制閥開閉較緩慢時(shí)（T 開、T關(guān)較大）， 所產(chǎn)生“間接水錘”，沖擊力就要小得多。其值可用下述通用計(jì)算公式表示。

其中式（2）中：T 為沖擊波在管內(nèi)往復(fù)所需時(shí)間，T =2L/α；

L 為管道長(zhǎng)度，m；

t 為關(guān)閉或打開液流通道時(shí)間，s。

從上述公式可以看出液壓沖擊跟影響因素有以下幾方面。

（1）管路長(zhǎng)度：長(zhǎng)度越長(zhǎng)，系統(tǒng)液壓沖擊波在管路內(nèi)的時(shí)間越大，液壓沖擊加劇，同時(shí)噪音分貝數(shù)增加。

（2）管壁厚度：一直以來(lái)我們追求厚壁管，更換管路及新裝管路是強(qiáng)調(diào)管壁要厚，感覺厚壁管耐壓抗腐蝕。但從式中得知，管壁不是越厚越好，反而管壁過(guò)厚使得彈性降低影響了液壓沖擊、振動(dòng)的傳遞和釋放。

（3）管路內(nèi)徑：從式中看到，管路材料彈性模量一定，內(nèi)徑越大α越小，ΔP 越小。

（4）管路安裝過(guò)程中連接接頭安裝不妥，系統(tǒng)內(nèi)部清潔情況等有直接關(guān)系。

（5）最為主要的還是操縱過(guò)程中人工對(duì)方向（流量）控制閥操作的操控幅度問(wèn)題，即操縱控制閥在開啟時(shí)間T 開、和關(guān)閉時(shí)間 T關(guān)的長(zhǎng)短。

3 優(yōu)化改進(jìn)措施研究

基于上述分析，以盡量節(jié)省成本和便于安全操作為優(yōu)化改進(jìn)理念，提出下列優(yōu)化措施。

（1）從操縱閥操作的柔和性和管路長(zhǎng)度入手，繼續(xù)沿用原先使用的設(shè)備和管路系統(tǒng)，將手動(dòng)操控閥改進(jìn)為電液控制三位四通閥，電信號(hào)由配套伺服控制機(jī)構(gòu)提供。設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)并延伸至船舶駕駛臺(tái)和艏艉門附近，便于門旁和駕駛臺(tái)操縱。

電液閥的使用主要利用它本身具有的阻尼器的節(jié)流緩沖功能，通過(guò)阻尼器可調(diào)節(jié)閥芯移動(dòng)速度和換向速度的變化，控制開啟時(shí)間閥件T開和關(guān)閉時(shí)間T關(guān)，使系統(tǒng)在收放艏艉門時(shí)操作過(guò)程柔和，避免了人工操作的液壓沖擊。

原有系統(tǒng)的手操閥件，由于就近操作的要求一般置于船艏艉門的上部平臺(tái)，整個(gè)液壓系統(tǒng)從油泵艙至操縱閥至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于船體艙室結(jié)構(gòu)的特殊性使得管路總長(zhǎng)超過(guò)100 m。優(yōu)化改建后電液控制三位四通閥及伺服機(jī)構(gòu)可靠近泵艙附近，只將遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)（電路）延伸，減少液壓油管近20 m。同時(shí)減少了液壓沖擊和噪音。

（2）機(jī)器的優(yōu)良設(shè)計(jì)和可靠性能夠減少對(duì)人為因素的影響。對(duì)該系統(tǒng)的安全保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)主要有以下幾項(xiàng)。

①加設(shè)艏艉門限位控制保護(hù)，門兩側(cè)分別設(shè)置一路。任何一路動(dòng)作后信號(hào)即發(fā)送，電液閥回中位，系統(tǒng)停止動(dòng)作。并可根據(jù)需要設(shè)置主油泵延時(shí)3～5min后自動(dòng)停用。

②當(dāng)?shù)乜刂七x擇。優(yōu)先控制模式設(shè)為艏艉門附近，與駕駛臺(tái)控制處可以實(shí)施相互選擇和切換，并相互互鎖防止誤操作。

③應(yīng)急保護(hù)設(shè)計(jì)。在收放艏艉門過(guò)程中發(fā)生緊急情況，或限位信號(hào)發(fā)送失敗等特殊情境下使用。具體為在左右舷操縱平臺(tái)和駕駛臺(tái)分別設(shè)置緊急停止按鈕。急停按鈕相互并聯(lián)，同時(shí)有效，確保應(yīng)急情況下人員或設(shè)備的安全保護(hù)。

（3）利用優(yōu)化改造管路的契機(jī)，對(duì)管路系統(tǒng)中各連接接頭進(jìn)行檢查，安排船員逐一上緊至計(jì)算的收緊力矩，更換已發(fā)生滑牙、銹蝕的連接接頭。確保管系接頭不發(fā)生泄漏。

（4）對(duì)實(shí)施優(yōu)化改造成本核算。成本是可行性的衡量指標(biāo)之一，過(guò)大成本投入的優(yōu)化改造對(duì)于中小型島際客滾船來(lái)講是一種浪費(fèi)，也是不切實(shí)際的。此次優(yōu)化改進(jìn)成本主要考慮新購(gòu)置設(shè)備費(fèi)用（電液閥件）、管路改建費(fèi)用、管路清洗費(fèi)用及人工費(fèi)用，航次影響時(shí)間暫忽略。根據(jù)實(shí)施結(jié)果顯示單船優(yōu)化改建試驗(yàn)成本基本在1.0～1.5萬(wàn)元間，成本相對(duì)較低。

4 結(jié)語(yǔ)

客滾船運(yùn)行中安全性、舒適性至關(guān)重要。此優(yōu)化改進(jìn)措施不破壞原有系統(tǒng)和設(shè)備，投入少量的優(yōu)化改造資金，并加入了安保元素，根據(jù)船方反映2015年度尚未有故障報(bào)告，在實(shí)船營(yíng)運(yùn)中取得了明顯效果。

當(dāng)然系統(tǒng)還可繼續(xù)提升，如開發(fā)PLC控制、全程可視化操作等更為先進(jìn)的模式。

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