橫向補(bǔ)給用高強(qiáng)度張力軟管設(shè)計(jì)研究

郭 奎， 黃海波， 王 琦

（92942 部隊(duì)， 北京 100161）

0 引言

自19 世紀(jì)末航行補(bǔ)給出現(xiàn)以來(lái)，海上航行補(bǔ)給經(jīng)歷了從單一液貨補(bǔ)給到綜合補(bǔ)給，從縱向補(bǔ)給到橫向、垂直補(bǔ)給的多次重大改進(jìn)。 1944 年發(fā)明了跨索法橫向加油、1953 年研制出了平衡重錘張力補(bǔ)償裝置、1957 年確立了綜合補(bǔ)給思想， 隨即出現(xiàn)了自動(dòng)傳送補(bǔ)給系統(tǒng)（FAST），上世紀(jì)70 年代中期，開(kāi)始采用FAST 系統(tǒng)的改進(jìn)系統(tǒng)—標(biāo)準(zhǔn)橫向補(bǔ)給裝置（STREAM），90 年代以來(lái)，圍繞著進(jìn)一步提高補(bǔ)給海況和補(bǔ)給速度、減少作業(yè)人員等需求，發(fā)達(dá)國(guó)家海軍又開(kāi)展了張力軟管法補(bǔ)給裝置、 航行自動(dòng)對(duì)接裝置等新型補(bǔ)給裝備研究[1]。

美法海軍研制的新一代張力軟管海上補(bǔ)給系統(tǒng)，由200 英尺（61m）2.5 英寸（63mm）張力軟管、液壓泵、電動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)組成，取消了原來(lái)的吊桿柱和跨索，可明顯減少設(shè)備重量和所占空間。 海上試驗(yàn)表明，接收船只需3人負(fù)責(zé)牽引張力絞車釋放的跨海合成索具， 節(jié)省了大量人力。

采用張力軟管法進(jìn)行海上補(bǔ)給作業(yè)對(duì)軟管的強(qiáng)度有很高的要求， 由于省去了傳統(tǒng)液貨補(bǔ)給裝置的吊桿柱和跨索，要求軟管在沒(méi)有輔助支撐裝置的情況下，能夠保持自身形狀和結(jié)構(gòu)，完成液貨的傳輸和補(bǔ)給；由于海上補(bǔ)給作業(yè)環(huán)境惡劣，海水的腐蝕，使得軟管的性能和使用壽命大打折扣；在補(bǔ)給作業(yè)時(shí)，由于海況的變化，并行的兩船之間的距離會(huì)發(fā)生很大的變化，這就要求兩船之間保持較遠(yuǎn)的距離， 對(duì)軟管的強(qiáng)度和自身形狀的維持要求較高；同時(shí)，在補(bǔ)給過(guò)程中，由于海況變化，兩船之間的距離突然變大并超過(guò)軟管的長(zhǎng)度時(shí)，會(huì)使兩船相互拖拽，發(fā)生危險(xiǎn)。

因此，研究一種新型的張力軟管，能夠大大提高軟管的抗拉、抗壓強(qiáng)度，不需要跨索仍能保持完整的工作形狀；提高軟管的抗腐蝕性能，延長(zhǎng)軟管的使用壽命，并使得在發(fā)生緊急情況時(shí)，兩船能夠迅速解脫連接。

1 張力計(jì)算分析

1.1 作業(yè)時(shí)軟管張力計(jì)算

1.1.1 軟管放出長(zhǎng)度

補(bǔ)給作業(yè)時(shí)站到站的距離為35～45m，計(jì)算時(shí)按最大45m 計(jì)算，允許的補(bǔ)給站錯(cuò)位角最大30°，根據(jù)論證報(bào)告，站的高度差約2.0m，軟管的下垂為3.0m，接頭和環(huán)性拉纜的長(zhǎng)度約0.5m，工作狀態(tài)圖，見(jiàn)圖1。

圖1 軟管工作狀態(tài)圖

軟管曲線按懸鏈線進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，軟管長(zhǎng)度為兩掛點(diǎn)懸鏈線弧長(zhǎng)與環(huán)型拉纜的長(zhǎng)度的差，經(jīng)計(jì)算兩掛點(diǎn)懸鏈線弧長(zhǎng)為52.5m，所以軟管的放出長(zhǎng)度為52.5-0.5=52（m），即軟管的最大放出長(zhǎng)度為52m，以下計(jì)算均按52m 計(jì)算。

1.1.2 受力分析

軟管作業(yè)時(shí)所受張力F 主要由以下幾種力合成：

（1）放出輸油管及接頭自重W管。

（2）放出輸油管中油重W液。

（3）風(fēng)對(duì)輸油管的作用力FW。

（4）空氣阻力Fk。

（5）輸油管與導(dǎo)向喇叭口間的摩擦力Ff。

考慮到兩船靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行輸油作業(yè)， 風(fēng)對(duì)輸油管的作用力、空氣阻力、輸油管與導(dǎo)向喇叭口的摩擦力Ff要遠(yuǎn)小于前2 種力，故忽略不計(jì)。

張力軟管補(bǔ)給時(shí)的結(jié)構(gòu)近似于懸鏈線結(jié)構(gòu)， 故在此按懸鏈線計(jì)算。 為計(jì)算方便， 將輸油管的形狀視為拋物線，并按均布載荷計(jì)算，受力如圖2 所示。

橫向補(bǔ)給時(shí)，軟管橫跨兩船，由于其自身的重力以及輸送液體的重量等因素，軟管將產(chǎn)生一定的下垂， 如圖2 所示，軟管的下垂距離h 與軟管的張力有關(guān)， 張力F 越大，下垂距離h 越小，越利于補(bǔ)給作業(yè)。 但是張力增加，對(duì)兩艦船的操縱性、裝置的功率和強(qiáng)度都不利。 下垂距離h 增加，軟管距離水面距離減小，一旦軟管進(jìn)入水中，由于水的阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的阻力，軟管的張力將急劇增加， 所以優(yōu)化設(shè)計(jì)張力F 和下垂距離h的關(guān)系是軟管設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。 軟管張力與下垂距離的關(guān)系如圖3 所示。

圖2 懸鏈線受力示意圖

圖3 軟管張力與下垂距離的關(guān)系

1.1.3 張力計(jì)算

根據(jù)懸鏈線方程可知

式中：w—單位長(zhǎng)度載荷；r—兩補(bǔ)給柱間距離（跨度）；f—矢度（放出輸油管中央的下垂度）而

已知：w管—輸油管單位長(zhǎng)度質(zhì)量，w管=3.0kg/m；d—輸油管內(nèi)徑，d=0.077m；γ—油料密度，γ=850kg/m3。

經(jīng)計(jì)算，長(zhǎng)度為52m 時(shí)，得出表1 所示結(jié)果。

表1 輸油軟管張力

1.1.4 不同長(zhǎng)度下的軟管張力分析

將軟管一端固定在拉力計(jì)上， 一端用鋼索連接通過(guò)定滑輪采用手拉葫蘆施加拉力，測(cè)出不同張力下的軟管下垂距離，從而計(jì)算出不同垂度下的張荷比，見(jiàn)表2，根據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)跨距為50m，垂度為2～2.5m 時(shí)，張荷比為2.5～3.3 之間[2]。 設(shè)計(jì)時(shí)采用3.5 進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。

表2 軟管不同垂度下的張荷比

目前，張力和垂度的關(guān)系沒(méi)有精確的計(jì)算方法，對(duì)于橫向干貨補(bǔ)給系統(tǒng)，一般選擇張荷比（鋼索張力與傳輸載荷的比值）為3～5，液貨補(bǔ)給為多點(diǎn)懸掛，一般也按干貨補(bǔ)給的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 對(duì)張力軟管這樣的均勻載荷沒(méi)有計(jì)算方法，如果系數(shù)選用小，影響補(bǔ)給作業(yè)的安全性，系數(shù)選用過(guò)大，將增加裝備的質(zhì)量、體積和系統(tǒng)的功率。 對(duì)于均勻載荷，當(dāng)其掛接在兩個(gè)掛接點(diǎn)時(shí)，其形狀更接近懸鏈線，所以采用懸鏈線理論進(jìn)行近似計(jì)算[3]，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證（圖4）和修正。

圖4 張力測(cè)試方法

補(bǔ)給作業(yè)時(shí)站到站的距離為35～45m，允許的補(bǔ)給站錯(cuò)位角最大30°，不考慮站的高度差，則軟管的最大放出長(zhǎng)度為：L=45/cos30°=52.0m。 即軟管的放出長(zhǎng)度為35m～52m。

軟管垂度按2～3m 選取，張重比系數(shù)k 分別取2.5 和3.5。 補(bǔ)償時(shí)，當(dāng)軟管張力小于該放出長(zhǎng)度時(shí)的3m 垂度張力值時(shí)收軟管，當(dāng)軟管張力大于該放出長(zhǎng)度時(shí)的2m 垂度張力值時(shí)放軟管。 如當(dāng)軟管放出長(zhǎng)度為45m（進(jìn)行檢測(cè)）時(shí)， 當(dāng)軟管張力小于9866N 時(shí)收軟管， 當(dāng)軟管張力大于13812N 時(shí)放軟管。 橫向補(bǔ)給時(shí)軟管在補(bǔ)給作業(yè)過(guò)程中受到的最大張力約為F=16.0kN。

1.2 軟管結(jié)構(gòu)

并行的兩船補(bǔ)給時(shí)， 要求軟管既要具備較好的柔韌性，又要滿足軟管的抗張力、抗拉力及軸向和徑向的形變要求，因此軟管設(shè)計(jì)為內(nèi)膠層、骨架層（內(nèi)膠保護(hù)層、高抗拉夾布層、鋼絲螺旋層、緩沖層、夾布層）和外膠層的結(jié)構(gòu)形式。

內(nèi)膠層：輸送液體介質(zhì)（如油料、淡水等），對(duì)所輸送的介質(zhì)具有抗燃油污染性、水質(zhì)無(wú)污染性、密封性。

骨架層：支撐軟管的結(jié)構(gòu)，承受工作壓力、張力。由纖維層、金屬螺旋層（在張力軟管的生產(chǎn)過(guò)程中可以根據(jù)具體的強(qiáng)度要求增減纖維層的數(shù)目或添加需要的功能纖維層）構(gòu)成。內(nèi)膠層保證由彈性體的橡膠到剛性體結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)纖維和金屬絲的無(wú)縫過(guò)渡與粘結(jié)， 使之成為結(jié)構(gòu)完整的統(tǒng)一體，提高產(chǎn)品的整體性能；纖維層采用0.8mm 厚的FC300 型（6×8）纖維材料承受軸向拉力，具抗拉和抗張作用；金屬螺旋層采用螺旋鋼絲作支撐，承受徑向壓力，保證管體在正負(fù)壓的條件下膠管的通徑變化都在控制范圍內(nèi)。

外膠層：保護(hù)骨架層，對(duì)軟管工作環(huán)境等損害具有抗耐性。這在航行橫向補(bǔ)給中有很重要的作用，因海況較復(fù)雜，軟管工作環(huán)境惡劣，如沒(méi)有外膠層，軟管將很快被海水腐蝕、風(fēng)化，出現(xiàn)老化現(xiàn)象，影響張力軟管的使用壽命。

軟管結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 軟管結(jié)構(gòu)圖

1.3 橡膠軟管性能參數(shù)計(jì)算

1.3.1 膠管耐壓強(qiáng)度計(jì)算

式中：P爆— 膠管耐壓強(qiáng)度（kgf/cm2）；i—夾布層數(shù)；Kb—膠布強(qiáng)度，65kgf/cm；D計(jì)1— 計(jì)算，8.24cm；D計(jì)2— 計(jì)算直徑，8.84cm。

1.3.2 膠管軸向力（抗張力）計(jì)算

式中：P軸破—膠管耐壓強(qiáng)度（kgf）；i—夾布層數(shù)；Kb—膠布強(qiáng)度（kgf/cm）；D計(jì)1—計(jì)算直徑（8.24cm）；D計(jì)2— 計(jì)算直徑（8.84cm）；P壓—工作壓力（kgf/cm2），則

1.3.3 接覆張力設(shè)計(jì)

接覆采用層與層之間套接， 并覆一層高強(qiáng)力中間膠片實(shí)現(xiàn)布層之間相互張力的傳遞與延伸。

式中：P破張—接覆段最大張力（kN）；σ—膠料強(qiáng)力（80kgf/cm2）；b—套接寬度（4cm）；D計(jì)2—計(jì)算直徑，（8.51cm）；η—綜合修正系數(shù)（0.6～0.8）。

則P破張=51.3kN

軟管接覆張力為17.1kN， 小于管體單體張力17.5 kN，故最小張力應(yīng)為接覆張力17.1kN。

由以上計(jì)算可以看出，設(shè)計(jì)計(jì)算值遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)的張力軟管能夠滿足使用要求。

2 結(jié)論

新研制的張力軟管在骨架層中添加纖維層和金屬螺旋層，提高了軟管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在海上補(bǔ)給過(guò)程中省去高架索等輔助支撐裝置，簡(jiǎn)化了液貨補(bǔ)給裝置的結(jié)構(gòu)，極大提高了作業(yè)性能， 能夠滿足海上航行橫向油水補(bǔ)給的要求，可解決兩船航行期間在無(wú)高架索狀態(tài)下的橫向液貨補(bǔ)給。