船舶靠泊液壓緩沖系統(tǒng)設(shè)計

黃國富季越紅

(1.中國船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200011;2.中船重工(上海)節(jié)能技術(shù)發(fā)展有限公司，上海 200011)

為了減小帶速船舶對碼頭的沖擊，傳統(tǒng)的做法是在碼頭上安裝木材護(hù)舷和橡膠護(hù)舷等船舶緩沖裝置，由于橡膠護(hù)舷比木材護(hù)舷使用壽命長，耐久性強，不易腐爛，廣泛應(yīng)用在小型碼頭[4-5]，但橡膠護(hù)舷吸收沖擊能力有限，船舶靠泊帶速較大時，橡膠護(hù)舷的緩沖作用基本失效。應(yīng)用前景較好的柔性吸能防撞設(shè)施依靠船舶撞擊力作用使樁頭水平變位從而消耗靠泊動能，但其要求高等級鋼材和高質(zhì)量焊接[6-8]，成本增加。相對而言，一些液壓元件成本較低，如液壓缸和溢流閥可作為吸能減振元件對失控船舶靠泊的沖擊能量進(jìn)行吸收[9-11]。節(jié)流閥、蓄能器對于解決溢流閥開啟滯后性具有一定作用，在煤礦機械中被用來吸收提升機過卷過放沖擊[12-13]。但在船舶靠泊液壓緩沖系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域，關(guān)于液壓缸匹配節(jié)流閥、溢流閥、蓄能器組合吸收帶速船舶靠泊沖擊并將其緩慢制動的設(shè)計和理論探討卻鮮有公開發(fā)表的文獻(xiàn)記錄。針對船舶靠泊沖擊問題，考慮通過液壓缸匹配節(jié)流閥、溢流閥、蓄能器組合，設(shè)計船舶靠泊液壓緩沖系統(tǒng)，采用AMESIM搭建系統(tǒng)仿真模型，結(jié)合船舶緩沖位移-緩沖力的特性曲線分析歸納失控船舶速度、質(zhì)量、蓄能器充氣壓力、節(jié)流閥通徑對緩沖系統(tǒng)性能影響規(guī)律，為完善船舶靠泊減震吸能技術(shù)提供參考。

1 系統(tǒng)組成及原理

船舶靠泊液壓緩沖設(shè)備及系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 船舶靠泊液壓緩沖設(shè)備及系統(tǒng)組成

考慮到靠泊防撞緩沖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、受力均勻及安裝布置等方面，對稱設(shè)置導(dǎo)向裝置，設(shè)置滾筒主要為了靠泊時避免損害船舶表面，緩沖墊下設(shè)緩沖油缸吸收船舶靠泊時產(chǎn)生的沖擊動能。

靠泊前防撞板在緩沖油缸無桿腔彈簧力作用下處于伸出狀態(tài)；待船舶靠泊時，船舶撞擊防撞板，壓縮緩沖油缸活塞縮回，其無桿腔油液先經(jīng)節(jié)流閥產(chǎn)生節(jié)流阻尼作用，接著存儲于蓄能器氣囊，當(dāng)壓力大于溢流閥開啟壓力時，多余的油液溢流回油箱；這樣緩沖油缸無桿腔形成一定的油壓，該壓力作用于活塞上，阻礙船舶快速停止，從而形成一定的緩沖效果，防止失控船舶靠泊造成破壞；待船舶離開碼頭或岸邊時，蓄能器釋放儲存的油液，緩沖油缸活塞在無桿腔彈簧和蓄能器氣囊油壓的作用下，復(fù)位至初始狀態(tài)。

2 系統(tǒng)仿真模型搭建

根據(jù)船舶靠泊液壓緩沖系統(tǒng)工作原理，搭建其系統(tǒng)仿真模型見圖2。仿真參數(shù)見表1。

圖2 船舶靠泊液壓緩沖系統(tǒng)仿真模型

表1 仿真參數(shù)

3 船舶靠泊液壓制動系統(tǒng)仿真分析

設(shè)置仿真步長0.001 s、仿真時間3 s，仿真分析得到船舶靠泊液壓緩沖系統(tǒng)動態(tài)性能見圖3。

圖3 失控船舶靠泊液壓緩沖系統(tǒng)動態(tài)性能

液壓緩沖系統(tǒng)實際吸能E為

(1)

式中：F為系統(tǒng)緩沖力；x為緩沖位移。

則圖3c)緩沖位移x與緩沖力F所包圍的面積即為系統(tǒng)實際吸收的能量值。

由圖3可見，船舶靠泊發(fā)生失控事故時，靠泊液壓緩沖系統(tǒng)發(fā)揮較好的緩沖作用，船舶速度由初始失控速度3.0 m/s緩慢減速至0，緩沖過程船舶位移0.86 m；蓄能器儲存6.8 L的油液，氣囊壓力增加至13.2 MPa；船舶失控靠泊過程中的緩沖力最大為1.15×106N，緩沖初期緩沖力逐漸增大，緩沖末期緩沖力逐漸減小。

為研究不同載重的失控船舶靠泊時的緩沖特性，分別設(shè)置船舶總質(zhì)量為6.0×104，8.0×104，1.0×105，1.2×105kg仿真分析，結(jié)果見圖4。

圖4 失控船舶總質(zhì)量對靠泊液壓緩沖系統(tǒng)的影響

失控船舶沖擊能E0為

(2)

式中：M為船舶總質(zhì)量；v為船舶失控速度。

當(dāng)失控船舶載重增大(即式(2)中M增大)時，船舶失控時的沖擊能量增大，緩沖系統(tǒng)需要緩沖吸收的能量增加。

由圖4可見，隨船舶總質(zhì)量增大，船舶位移逐漸增大，蓄能器氣囊壓力也增大，當(dāng)船舶質(zhì)量增大至1.0×105kg時，蓄能器氣囊壓力達(dá)到了溢流閥的設(shè)置壓力值，系統(tǒng)壓力發(fā)生了卸荷，壓力始終保持為30 MPa。由圖4c)可以看出，當(dāng)船舶總質(zhì)量增大后，緩沖系統(tǒng)吸收的沖擊能量增加，緩沖系統(tǒng)通過延長緩沖位移、增大緩沖力進(jìn)行吸收更多的靠泊沖擊能量。

為研究不同失控速度的船舶靠泊時的緩沖特性，分別設(shè)置船舶速度為3.0、4.0、5.0、6.0 m/s仿真分析結(jié)果見圖5。

由圖5可見，隨失控船舶速度增大，緩沖過程船舶發(fā)生的位移變化較小、無規(guī)律，而蓄能器氣囊壓力增大、緩沖力增大、系統(tǒng)吸能量增大，很顯然當(dāng)失控船舶速度增大后，緩沖系統(tǒng)僅通過增大緩沖力進(jìn)行吸收增加的船舶靠泊沖擊能。

為研究船舶靠泊時不同蓄能器充氣壓力的緩沖特性，分別設(shè)置蓄能器充氣壓力3.0、5.0、7.0、9.0 MPa，仿真分析見圖6。

由圖6可見，當(dāng)蓄能器氣囊壓力由3.0 MPa增大至9.0 MPa，船舶發(fā)生的位移由0.86 m減小至0.60 m，蓄能器氣囊壓力由13.2 MPa增大至22.5 MPa，系統(tǒng)緩沖力(緩沖力數(shù)量級為106)由1.15×106N增加至1.18×106N，但緩沖位移-緩沖力包圍的面積基本相同，說明失控船舶靠泊沖擊能一定的條件下，液壓緩沖系統(tǒng)的吸能量基本是一定的，蓄能器參數(shù)對吸能量影響不大。

為研究不同節(jié)流閥通徑的緩沖特性，分別設(shè)置節(jié)流閥通徑為3.0、4.0、5.0、6.0 mm，仿真分析結(jié)果見圖7。

圖5 失控船舶速度對靠泊液壓緩沖系統(tǒng)的影響

圖6 充氣壓力對靠泊液壓緩沖系統(tǒng)的影響

圖7 節(jié)流閥通徑對靠泊液壓緩沖系統(tǒng)的影響

由圖7可見，當(dāng)節(jié)流閥的通徑由3.0 mm增大至6.0 mm，船舶位移由0.86 m增大至1.15 m；當(dāng)節(jié)流閥通徑增大至5.0 mm時，蓄能器氣囊壓力逐漸增大至溢流閥設(shè)定的開啟壓力值30 MPa，系統(tǒng)緩沖力由2.2×106N降低至0.3×106N，而緩沖位移-緩沖力包圍的面積基本保持一致，進(jìn)一步說明了失控船舶靠泊沖擊能一定的條件下，液壓緩沖系統(tǒng)的吸能量基本是一定的，節(jié)流閥通徑對系統(tǒng)吸能量的影響也不大。