船舶靠泊防撞裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

田玉芹

(青島黃海學(xué)院, 山東 青島 266427)

?

船舶靠泊防撞裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

田玉芹

(青島黃海學(xué)院, 山東 青島 266427)

為提高船舶靠泊時(shí)的安全性，設(shè)計(jì)研究一種液壓緩沖裝置作為碼頭上的護(hù)舷裝置。根據(jù)液壓緩沖原理設(shè)計(jì)該防撞裝置，借液壓阻尼作用,通過能量的轉(zhuǎn)換,使船舶靠泊時(shí)速度逐漸降低并?？?設(shè)計(jì)時(shí)考慮船舶靠泊時(shí)的撞擊力和系纜后風(fēng)流對(duì)護(hù)舷的作用力，最終得到防撞裝置的結(jié)構(gòu)模型，為后期進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模、受力分析奠定基礎(chǔ)，為液壓式碼頭護(hù)舷的研究提供參考。

液壓緩沖裝置；護(hù)舷；靠泊撞擊力；防撞裝置

0 引言

船舶靠泊時(shí)會(huì)產(chǎn)生撞擊能量。碼頭防撞裝置設(shè)計(jì)是碼頭工程設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。合適的碼頭防撞裝置不僅能保證靠泊作業(yè)的安全進(jìn)行，同時(shí)可以提高碼頭使用壽命，減少維護(hù)成本。液壓式護(hù)舷是一種能夠高效吸收能量的碼頭防撞裝置，其核心裝置是液壓緩沖器，借液壓阻尼作用對(duì)因慣性運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行阻礙并使其停止。

1 液壓緩沖式碼頭護(hù)舷工作原理

船舶以一定的速度向碼頭靠泊，在與碼頭護(hù)舷碰撞時(shí)，其有效撞擊能量被碼頭護(hù)舷吸收，并且在護(hù)舷的作用下，船舶的速度逐漸降低最終?？吭诖a頭前沿。在靠泊過程中液壓緩沖式碼頭護(hù)舷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)靠泊能量吸收的工作原理如圖1所示。

圖1 液壓緩沖式碼頭護(hù)舷的工作原理

節(jié)流閥與單向閥1連接構(gòu)成單向節(jié)流閥，并且可以通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥上的流量調(diào)節(jié)手輪來改變流量和壓力。溢流閥能對(duì)液壓緩沖系統(tǒng)定壓及起安全保護(hù)作用。液壓缸中的彈簧可提供當(dāng)船舶離開碼頭時(shí)使活塞桿回移到初始位置上的力。

其工作原理如下：船舶靠泊時(shí)液壓防護(hù)裝置的活塞桿發(fā)生碰撞，受到的碰撞壓力使內(nèi)部的活塞向左運(yùn)動(dòng)，擠壓液壓缸內(nèi)的液壓油，同時(shí)彈簧壓縮，液壓缸筒內(nèi)的液壓油因活塞的運(yùn)動(dòng)壓力增大，到達(dá)一定值后，單向閥1打開，缸筒內(nèi)的液壓油經(jīng)過節(jié)流閥、單向閥1、溢流閥進(jìn)入油箱內(nèi)?；钊麠U壓縮液壓油的運(yùn)動(dòng)將會(huì)消耗大量的動(dòng)能，這些動(dòng)能來自于船舶撞擊時(shí)產(chǎn)生的撞擊能量，能量被活塞的運(yùn)動(dòng)消耗，船舶受到的撞擊能量就會(huì)減少，從而保護(hù)船舶免受撞擊能量的損壞。當(dāng)船舶離開碼頭時(shí)，活塞桿受到復(fù)位彈簧的作用回復(fù)到原位，壓力變小，油箱的液壓油會(huì)經(jīng)過單向閥2進(jìn)入缸筒內(nèi)補(bǔ)充壓力，從而完成整個(gè)過程。液壓油經(jīng)過單向閥1時(shí)，單向閥2始終是關(guān)閉的。同理，液壓油經(jīng)過單向閥2時(shí)，單向閥1是關(guān)閉的。整個(gè)過程始終保持往一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。

液壓緩沖式碼頭護(hù)舷優(yōu)勢(shì)：通過能量的轉(zhuǎn)換可高效地吸收撞擊能量；液壓油的循環(huán)利用可減少維護(hù)成本；改變液壓缸的尺寸可以提高液壓緩沖裝置吸收能量的極限點(diǎn)；有效提升船舶的靠泊安全性。

2 液壓緩沖式碼頭護(hù)舷主體設(shè)計(jì)

進(jìn)行護(hù)舷主體設(shè)計(jì)時(shí)選取船舶的主要參數(shù)如下。

船長(zhǎng)：L=200m；船寬：W=30m；吃水：d=10m；噸位：m=10 000t；船舶靠泊時(shí)法向速度：Vn=0.1m/s；船舶靠泊時(shí)與護(hù)舷夾角：θ=10°。

碼頭護(hù)舷的設(shè)計(jì)需考慮船舶靠泊時(shí)的撞擊力以及船舶系纜后風(fēng)流對(duì)護(hù)舷的作用力。

2.1 液壓缸缸筒內(nèi)徑D

液壓缸缸筒內(nèi)徑D是根據(jù)液壓缸的負(fù)載和缸內(nèi)壓力來計(jì)算確定的。內(nèi)徑確定后才可以進(jìn)行其他參數(shù)的計(jì)算。在計(jì)算得到缸筒內(nèi)徑D后，還需根據(jù)GB2348-1980標(biāo)準(zhǔn)來選取。

以無桿腔作工作腔時(shí)

以有桿腔作工作腔時(shí)

式中:D為液壓缸缸筒內(nèi)徑，m；Fmax為液壓缸上的最大作用負(fù)載，N；P1為液壓缸工作腔的工作壓力，Pa；d為活塞桿外徑，m。

作用在液壓缸上的最大負(fù)載是船舶靠泊時(shí)的撞擊力與靠泊后在風(fēng)載荷和波浪載荷的作用下形成的作用力之和。靠泊時(shí)的撞擊力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)載荷和波浪載荷作用下的作用力，因此在進(jìn)行液壓缸內(nèi)徑設(shè)計(jì)時(shí)所受的最大負(fù)載為船舶靠泊時(shí)的撞擊力Fmax=634.36kN。此處以無桿腔做工作腔計(jì)算。

液壓筒的缸內(nèi)壓力應(yīng)根據(jù)負(fù)載的大小來確定，在此選取工作腔的工作壓力P1=10MPa。

由式(1)可知：D=0.28m。

通過查閱GB2348-1980，選取液壓缸缸筒內(nèi)徑D=0.32m。

2.2 液壓缸活塞桿外徑d

液壓缸活塞桿直徑D根據(jù)活塞桿受力狀況來確定。當(dāng)活塞桿受拉力作用時(shí)：d=(0.3～0.5)D。當(dāng)活塞桿受壓力作用時(shí)：當(dāng)P1=5MPa時(shí)，d=(0.5～0.55)D；當(dāng)5MPa7MPa時(shí)，d=0.7D。

已知在計(jì)算液壓缸缸筒內(nèi)徑時(shí)選取的液壓筒缸內(nèi)壓力P1=10MPa，并且活塞桿主要受到的是壓力作用，因此活塞桿外徑尺寸d=0.224m。

根據(jù)GB2348-1980中給出的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選取活塞桿外徑d=0.22m。

2.3 液壓缸壁厚δ的校核

在缸筒內(nèi)壁進(jìn)行校核時(shí)需分別考慮缸筒是薄壁還是厚壁。

(1) 若缸筒為薄壁，壁厚δ的校核方式為

式中：D為缸筒內(nèi)徑，m；Pmax為缸筒試驗(yàn)壓力,MPa；σP為缸筒材料的許用應(yīng)力。

(2) 若缸筒為厚壁，壁厚δ的校核方式為

在設(shè)計(jì)時(shí)選取液壓缸壁為厚壁，即以式(4)來校核液壓缸的壁厚。由于液壓筒的缸內(nèi)壓力P=10MPa，在此選擇缸筒試驗(yàn)壓力Pmax=15MPa。缸筒材料選擇無縫鋼管，[σP]=100～110MPa,取[σP]=100MPa。

因此，可取δ=0.05m。此時(shí)D/δ=0.32m/0.05m=6.4<10,滿足厚壁要求。

2.4 液壓缸缸筒外徑D1

液壓缸缸筒的外徑應(yīng)不小于其內(nèi)徑加上2倍的壁厚，即

式中：D1為液壓缸缸筒外徑，m；D為液壓缸缸筒內(nèi)徑，m；δ為液壓缸缸筒壁厚，m。

由式(5)可知：D1=0.42m。在此取缸筒的外徑D1=0.42m。

2.5 液壓缸缸筒長(zhǎng)度L

通常通過活塞桿的工作行程長(zhǎng)度與各種結(jié)構(gòu)來確定液壓缸缸筒的長(zhǎng)度L，即

式中：L為缸筒長(zhǎng)度，m；I為活塞的最大工作行程，m；B為活塞寬度，m；A為活塞桿導(dǎo)向長(zhǎng)度，m；C為其他長(zhǎng)度，m。

選取活塞的最大工作行程I=1m。活塞的寬度根據(jù)液壓缸設(shè)計(jì)規(guī)范可知B=(0.6～1)D，在此文中選取B=0.6D=0.6×0.32m=0.2m。活塞桿導(dǎo)向長(zhǎng)度A=(0.6～1.5)D，在此選取A=D=0.32m。

由式(6)可知：L=1.57m。在此選取液壓缸缸筒的長(zhǎng)度L=1.62m。

3 液壓缸

根據(jù)上述計(jì)算步驟得到的數(shù)據(jù)通過CAD軟件畫出液壓缸示意圖，如圖2所示。

圖2 液壓缸示意圖

如圖2所示，在右側(cè)缸蓋上裝有節(jié)流閥和液壓控制閥。左側(cè)的活塞桿是船舶靠泊時(shí)與防撞裝置的接觸點(diǎn)，在右側(cè)的控制閥與液壓油箱和復(fù)位裝置連接，整個(gè)裝置的連接方式主要采用螺釘，以方便安裝以及后期維護(hù)。

活塞受到撞擊后向右移動(dòng)，為防止缸筒產(chǎn)生真空，在上方開一個(gè)排氣孔，在運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓缸外的空氣可以進(jìn)入缸筒內(nèi)。同理，當(dāng)船舶離開時(shí)，進(jìn)入的空氣又可以從排氣孔排出。安裝的排氣裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 快速排氣閥結(jié)構(gòu)

如圖4所示，P、A、T是可以快速進(jìn)出氣體的閥口。當(dāng)空氣由P進(jìn)入時(shí)， 閥芯上移P與A相通，缸筒內(nèi)得到足夠的空氣避免真空；當(dāng)空氣由A進(jìn)入時(shí)，閥芯下移A與T相通，這時(shí)空氣可以快速地從T處排出。

通過以上的設(shè)計(jì)計(jì)算得出各個(gè)零件的大小，將單個(gè)零件組合通過CAD軟件畫出的結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 單個(gè)液壓緩沖裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

4 液壓緩沖裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

單個(gè)結(jié)構(gòu)吸收能量的極限點(diǎn)較低，能適應(yīng)的船舶類型有限，將幾個(gè)結(jié)構(gòu)組合成一組裝置可以提高防撞裝置吸收能量的極限點(diǎn)，從而保證不同大小船舶的靠泊安全。

[][]

5 結(jié)束語

通過對(duì)船舶靠泊防撞裝置的設(shè)計(jì)研究，進(jìn)一步論證了利用液壓做護(hù)舷的方案的可行性。液壓裝置的使用壽命遠(yuǎn)大于橡膠護(hù)舷的使用壽命，其所能夠承受的撞擊能量也高于橡膠護(hù)舷，可以更好地保護(hù)船舶與碼頭。目前，液壓式碼頭護(hù)舷僅作為概念出現(xiàn)，在各大碼頭并未安裝使用。

[1] 解穎浩,陳小南,蔡長(zhǎng)泗.世界LNG海運(yùn)市場(chǎng)態(tài)勢(shì)分析[J].水運(yùn)管理,2007,1:6-7.

[2] 祁超忠.LNG船舶港內(nèi)作業(yè)前期研究及風(fēng)險(xiǎn)防范[J].航海技術(shù),2008,6:2-5.

[3] 郭劍鋒,高峰,李焱，等.浙江LNG接收站船舶系泊試驗(yàn)研究[J].水道港口,2010,1:7-11.

[4] 姜龍光，張曉東.液壓緩沖機(jī)構(gòu)的緩沖數(shù)學(xué)模型建立研究[J].船舶工程,2009,B09:71-74.

[5] 繆國(guó)平,劉應(yīng)中.征服海洋之夢(mèng)——超大型浮式海洋結(jié)構(gòu)物[J].自然雜志,1996，1：26-29.

[6] 邱大洪,王永學(xué).21世紀(jì)海岸和近海工程的發(fā)展趨勢(shì)[J].自然科學(xué)進(jìn)展：國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通訊,2000,11:982-986.

Structure Design on Anti-Collision Device of Ship Berthing

TIAN Yuqin

(Qingdao Huanghai University, Qingdao 266427, Shandong， China)

To improve berthing safety, with the help of hydraulic damping effect a hydraulic damping device is designed as fenders on the dock. The anti-collision device is designed according to the hydraulic damping principle to design the anti-collision device. By hydraulic damping effect, the ship berthing speed is gradually reduced and the ship is docked with the help of hydraulic damping effect through the energy conversion. The berthing impact force and force of the fender after the lines are fasten are considered during design. The anti-collision device structure model is obtained. It lays the foundation for the structural modeling and force analysis,and provides a reference for the research of hydraulic fender.

hydraulic damping device; fender; berthing impact force； anti-collision device

1000-3878(2017)03-0064-03

田玉芹(1978-)，女，副教授，主要研究方向?yàn)榇w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造

U662

A