趙世野

(交通運(yùn)輸部北海救助局, 山東 煙臺(tái) 264012)

我國(guó)黃渤海海域船舶眾多，其中以中小型鋼質(zhì)船舶為主。由于該海域水道狹窄、氣候條件惡劣、船舶運(yùn)行密度大，每年都會(huì)發(fā)生多起船舶翻扣事故。[1]此類險(xiǎn)情一旦發(fā)生，需救助人員快速地在船體上開(kāi)出孔洞，及時(shí)救出被困人員。[2-5]目前沒(méi)有專門用于翻扣船舶開(kāi)孔救助的設(shè)備，應(yīng)用普通的鋼板切割設(shè)備進(jìn)行開(kāi)孔救助存在以下缺點(diǎn)：

1) 開(kāi)孔過(guò)程中存在安全隱患。由于小型船舶的燃料以輕柴油為主，翻扣船艙封閉氣室內(nèi)通常會(huì)存在易燃易爆的氣體，利用氧氣-乙炔和等離子等常規(guī)熱切割方式及鋸片和砂輪等部分冷切割方式進(jìn)行船底鋼板開(kāi)孔作業(yè)會(huì)產(chǎn)生高溫火花或出現(xiàn)局部溫度升高的情況，極易引發(fā)爆炸，危及被困人員和救助人員的生命安全。磨料水射流等冷切割方式雖然不會(huì)產(chǎn)生火花，但水射流在穿透鋼板之后發(fā)生強(qiáng)烈的不規(guī)則濺射，容易給被困人員帶來(lái)二次傷害。

2) 開(kāi)孔救援存在時(shí)間限制。傳統(tǒng)的海上翻扣船舶開(kāi)孔救援多采用成排電鉆開(kāi)孔、液壓剪剪斷孔橋的方式[2]，耗時(shí)較長(zhǎng)。由于小型船舶翻扣之后封閉的氣室體積很小，給船體破拆工作留下的時(shí)間很短，一旦不能迅速開(kāi)孔，將造成封閉氣室內(nèi)的空氣大量流失，甚至導(dǎo)致船體快速下沉，對(duì)被困人員和救援人員的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的救助會(huì)給救援人員和被困人員的體力帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，研制鋼質(zhì)翻扣船舶無(wú)火花快速開(kāi)孔救人系統(tǒng)是保證海上救援順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

針對(duì)上述問(wèn)題，開(kāi)展基于切削加工的船用鋼板無(wú)火花防爆高效開(kāi)孔技術(shù)研究，并進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)的研制，為營(yíng)救海上翻扣船舶被困人員提供有力的技術(shù)支持和裝備保障。

1 開(kāi)孔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在1 h內(nèi)切割厚度≤20 mm的鋼板，切割過(guò)程中不能產(chǎn)生任何可能引起爆炸、燃燒的火花。設(shè)備應(yīng)輕便、易于攜帶，降低救援人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。設(shè)備與遇險(xiǎn)船舶的結(jié)合快速、穩(wěn)固可靠，一定幅度的船體搖擺應(yīng)不影響設(shè)備的正常運(yùn)行。設(shè)備滿足環(huán)保要求，切割過(guò)程中無(wú)污染物產(chǎn)生。

1.1 刀頭總成

以往使用電鉆在翻扣船舶上開(kāi)孔，鉆孔一般呈方形排列，而方形孔有棱角，易刮傷被救人員，同時(shí)切割行程長(zhǎng)，切割設(shè)備轉(zhuǎn)角不方便，因此這里設(shè)計(jì)開(kāi)孔類型為圓形孔。對(duì)于材料去除的形式，可考慮采用銑削、鏜削等。受質(zhì)量限制，結(jié)構(gòu)剛度有限，銑削在切削過(guò)程中可能無(wú)法形成規(guī)整的圓形槽，而鏜削的穩(wěn)定性相對(duì)較好。此外，銑削要求刀具本身能轉(zhuǎn)動(dòng)，相比鏜削結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，且容易在冷卻不充分的情況下產(chǎn)生較多火花。

本文以鏜削方式設(shè)計(jì)切削結(jié)構(gòu)，開(kāi)孔形式為直徑460 mm的圓形孔。圖1為鏜削刀盤結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的刀頭總成包括刀盤驅(qū)動(dòng)軸和刀盤驅(qū)動(dòng)軸下端固定安裝的圓盤狀刀盤，刀盤外沿的圓周方向上均勻地安裝有3個(gè)刀架，3個(gè)刀架上各安裝有1把切削軌跡重合的刀頭。3把刀頭具有不同的形狀，分別完成向內(nèi)下方、正下方和外下方等3個(gè)方向的切削。3把刀頭分別為下端刀刃向外側(cè)折彎的外翻刀頭、下端刀刃向內(nèi)側(cè)折彎的內(nèi)翻刀頭和下端帶有直刀刃的直刀刀頭；3把刀頭的根部中心點(diǎn)位于同一圓周線上；3把刀頭的刀刃下端處在同一平面上。

注：1為刀盤驅(qū)動(dòng)軸； 2為刀盤； 3為刀架； 4為外翻刀頭； 5為直刀刀頭； 6為內(nèi)翻刀頭

圖1 鏜削刀盤結(jié)構(gòu)

該裝置的刀頭結(jié)構(gòu)可在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下限制刀盤部分的質(zhì)量。3把刀內(nèi)、中、外分布的設(shè)計(jì)將切削反作用力分散到3把刀上，增大了切槽寬度，減輕了單刀負(fù)荷，有利于散熱，并能防止出現(xiàn)夾刀現(xiàn)象。

1.2 傳動(dòng)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在翻扣船上開(kāi)孔，考慮到便攜因素，初步選取異步電機(jī)作為動(dòng)力源，經(jīng)過(guò)減速器連接主軸，由主軸驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，完成圓周切削，以此保證開(kāi)孔作業(yè)快速、高效地進(jìn)行。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主軸和刀盤套筒，進(jìn)給機(jī)構(gòu)不單獨(dú)供給動(dòng)力，采用差動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，用一組齒輪，通過(guò)絲杠螺母將主軸扭矩轉(zhuǎn)為軸向進(jìn)給力。

傳動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)工作時(shí)，主軸帶動(dòng)刀盤套筒轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸輪通過(guò)多級(jí)齒輪驅(qū)動(dòng)齒輪螺母，齒輪螺母在外殼體和滾珠的作用下在固定位置處轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠向下移動(dòng)，通過(guò)上軸承-向心球軸承和下軸承-圓錐滾子軸承對(duì)進(jìn)給刀盤套筒施加向下的壓力，完成進(jìn)給動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)刀具的進(jìn)給切削。主軸及進(jìn)給機(jī)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

注：1為主軸； 2為進(jìn)給主動(dòng)齒輪； 3為進(jìn)給從動(dòng)齒輪； 4為進(jìn)給從動(dòng)齒輪及進(jìn)給控制箱； 5為齒輪螺母； 6為外殼體； 7為絲杠； 8為刀盤套筒

圖2 主軸及進(jìn)給機(jī)構(gòu)示意

1.3 其他機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在翻扣船體上開(kāi)孔類似于粗加工，雖然對(duì)夾具的精密度要求不高，但因船體表面結(jié)構(gòu)不規(guī)則，較為穩(wěn)定地固定開(kāi)孔難度較大。該設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)的作業(yè)環(huán)境是翻扣船舶鋼板表面吸附物基本清除之后，使用永磁體對(duì)船體鐵制外殼進(jìn)行吸附固定?？紤]到船體鋼板一般為外凸形，設(shè)計(jì)3個(gè)分別具有1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的永磁體吸附支撐腳，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。該結(jié)構(gòu)在3個(gè)支撐腳都吸附船體表面鋼板之后，夾具自由度變?yōu)?，可有效完成開(kāi)孔系統(tǒng)在船體上的固定。

根據(jù)多年的救助經(jīng)驗(yàn)，被困人員在被困船艙內(nèi)通常會(huì)出現(xiàn)情緒不穩(wěn)定、注意力不集中的現(xiàn)象，防護(hù)能力變?nèi)?，在開(kāi)孔過(guò)程中需防范鋼板切割之后掉落和切屑對(duì)其造成二次傷害。該設(shè)計(jì)在刀盤下方設(shè)置永磁體對(duì)切屑和鋼板進(jìn)行簡(jiǎn)單的吸附，減少對(duì)人員的傷害(見(jiàn)圖4)。

1.4 總體結(jié)構(gòu)

鏜削開(kāi)孔系統(tǒng)主要包括電機(jī)、減速裝置、進(jìn)給控制機(jī)構(gòu)、刀盤和固定裝置等，其總體結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖5。由電機(jī)輸出動(dòng)力，經(jīng)過(guò)減速器多級(jí)減速之后，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給減速裝置通過(guò)4級(jí)齒輪減速，采用機(jī)械差速自動(dòng)進(jìn)刀系統(tǒng)，進(jìn)給裝置和刀盤驅(qū)動(dòng)軸為一體化設(shè)計(jì)，電機(jī)、減速器、動(dòng)力軸和刀盤同心差速運(yùn)行。

注：1為電機(jī)； 2為減速器； 3為動(dòng)力過(guò)渡軸； 4為主動(dòng)齒輪； 5為上殼體； 6為絲杠； 7為刀盤套筒； 8為連接板； 9為下殼體； 10為磁鐵； 11為刀盤； 12為齒輪螺母； 13為吊放磁鐵； 14為下軸承； 15為刀具； 16為刀臺(tái)； 17為滾珠； 18為進(jìn)給控制機(jī)構(gòu)； 19為上軸承； 20為支架

圖5 鏜削開(kāi)孔系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意

2 參數(shù)計(jì)算

2.1 切削力和切削功率計(jì)算

在設(shè)計(jì)刀具參數(shù)時(shí)，主要考慮以下2方面事項(xiàng)。

1) 該系統(tǒng)由于要求減重，工作環(huán)境不穩(wěn)定，因此在設(shè)計(jì)刀具時(shí)優(yōu)先選取較大主偏角κr，以降低對(duì)系統(tǒng)剛度的要求。

2) 在對(duì)鋼板整體的鏜削進(jìn)行加工時(shí)，內(nèi)外刀頭都要持續(xù)斷屑，且要有較大主偏角。

因此，選取內(nèi)外刀主偏角κr1和κr3均為75°，直刀刀頭主偏角κr2為90°，各刀具前角γo均為13°，刀具材料為高速鋼。

在1 h內(nèi)切削厚度≤20 mm的鋼板，船用鋼板的抗拉強(qiáng)度通常為490～675 MPa，屈服強(qiáng)度為345 MPa。設(shè)定轉(zhuǎn)速nc=17 r/min，切削半徑r=230 mm，切削速度vc=25 m/min，進(jìn)給量f=0.08 mm/r，則估算需15 min完成開(kāi)孔。背吃刀量分別為內(nèi)翻刀頭αp1=2.5 mm，直刀刀頭αp2=3 mm，外翻刀頭αp3=2.5 mm。

以外翻刀頭為例進(jìn)行受力分析，圖6為切削力示意，其中：Fd為基面上垂直于主切削刃的分力；刀具在主切削刃上的主要受力包括主運(yùn)動(dòng)方向上的分力Fc，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的分力Ff，垂直于Fc和Ff的背向力Fp。根據(jù)式(1)～式(4)[9-10]對(duì)3把刀的受力進(jìn)行分析計(jì)算。

a)刀具受力圖b)切削刃受力圖

圖6 切削力示意

式(1)～式(4)中：CFc，CFp，CFf為切削力與切削因素間的關(guān)系系數(shù)；xF，yF，nF為切削因素對(duì)切削力影響程度指數(shù)，并有nF<0；KFc，KFp，KFf統(tǒng)稱為KF，是各切削因素變化對(duì)切削力的影響系數(shù)。KMF，KγoF，KκrF分別為加工材料、前角γo及主偏角κr對(duì)切削力影響的修正系數(shù)。

切削材料船用鋼屬于結(jié)構(gòu)鋼，選表1和表2中的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，由于在低速切削時(shí)切削力隨切削速度的增大而增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)某臨界速度時(shí)將隨切削速度的增大而減小。這是因?yàn)榈退贂r(shí)產(chǎn)生積屑瘤，使前角γo增大，切削變形小，參考《金屬切削手冊(cè)》[9]和鏜削加工經(jīng)驗(yàn)，該設(shè)計(jì)中的切削速度在該臨界點(diǎn)附近，同時(shí)由于nF<0，將式(1)中的nFc取為0，將式(2)中的nFp取為-0.05，將式(3)中的nFf取為-0.3，得出各刀頭受力見(jiàn)表3。

表1 縱車外圓、橫車及鏜孔刀具受力F公式中各項(xiàng)系數(shù)

表2 車刀加工的修正系數(shù)K

表3 各刀頭受力 N

由表3可得，刀頭位置總切削力Fc=1 867 N，總轉(zhuǎn)矩T1=429 N·m，切削功率Pc=0.78 kW，總進(jìn)給力Ff=1 371 N。

2.2 傳動(dòng)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)與計(jì)算

該部分計(jì)算的主要目的是將刀盤處轉(zhuǎn)矩和功率換算到主軸上，其中切削力矩是已知的，這里通過(guò)進(jìn)給機(jī)構(gòu)將進(jìn)給力換算為主軸力矩。進(jìn)給機(jī)構(gòu)通過(guò)齒輪結(jié)構(gòu)從主軸中導(dǎo)出用于進(jìn)給的力矩，該部分不僅簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，無(wú)需獨(dú)立的進(jìn)給動(dòng)力源，同時(shí)可利用多級(jí)齒輪控制進(jìn)給量。在絲杠螺母的設(shè)計(jì)中，考慮到結(jié)構(gòu)的整體性，在直徑-螺距表中選取第一系列的公稱直徑D=220 mm和螺距p=6 mm作為絲杠螺母參數(shù)。要達(dá)到設(shè)定進(jìn)給量f=0.08 mm/r，圖2中進(jìn)給齒輪與齒輪螺母的傳動(dòng)比應(yīng)為i=75。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)多級(jí)齒輪進(jìn)給控制裝置見(jiàn)圖7。圖7為進(jìn)給機(jī)構(gòu)示意，多級(jí)齒輪將扭轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)為進(jìn)給力，可降低進(jìn)刀功率消耗，解決間隙累計(jì)帶來(lái)的刀具竄動(dòng)問(wèn)題。在進(jìn)給變速軸4上設(shè)置離合器和復(fù)位彈簧，用扳手轉(zhuǎn)動(dòng)扭轉(zhuǎn)段，即可實(shí)現(xiàn)退刀功能。

刀盤與減速器輸出軸的連接可看作是一個(gè)聯(lián)軸器，估算其傳動(dòng)效率為0.98，兩軸承傳動(dòng)效率均記為0.97，忽略進(jìn)給中的功率消耗，則減速器輸出軸功率應(yīng)為Po=0.82 kW，減速器的輸出轉(zhuǎn)矩To=451 N·m。在減速器的選擇上，在滿足減速要求的前提下，選擇諧波減速器，可有效減輕質(zhì)量。其他參數(shù)及電機(jī)的選擇遵循舊例，不再作說(shuō)明。

注：1為主軸； 2為齒輪螺母； 3為絲杠； 4為刀盤； 5為扭轉(zhuǎn)段； 6為套筒； 7為超越離合器； 8為箱體； 9為彈簧座； 10為復(fù)位彈簧； 11為進(jìn)退控制軸； 12為進(jìn)給變速軸4； 13為進(jìn)給變速軸3； 14為進(jìn)給變速軸2； 15為進(jìn)給變速軸1； 16為進(jìn)給主動(dòng)齒輪

圖7 進(jìn)給機(jī)構(gòu)示意

3 試驗(yàn)研究與討論

在進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇船用鋼作為開(kāi)孔材料模擬船體情況。設(shè)計(jì)試驗(yàn)為：鋼板厚度20 mm，第1組以鏜削開(kāi)孔裝置開(kāi)孔(見(jiàn)圖8)；第2組以電鉆開(kāi)孔(見(jiàn)圖9)，分別模擬海上救援情況，記錄模擬過(guò)程。

a)切開(kāi)的孔口b)切下的鋼板

圖8 鏜削開(kāi)孔法

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用鏜削開(kāi)孔法切割直徑為460 mm的圓孔，僅用15 min，1副刀具即可完成整個(gè)開(kāi)孔過(guò)程。整體模擬鋼質(zhì)翻扣船救援作業(yè)(包括救援船起重機(jī)下放開(kāi)孔裝置和開(kāi)孔)裝置開(kāi)孔的時(shí)間<20 min，僅需1名起重機(jī)操作員和1名開(kāi)孔裝置操作員，救援人員體力消耗少。圖8b)中，洞口光滑，表面粗糙度在Ra25 μm與Ra12.5 μm之間，可有效防止被困人員鉆孔時(shí)擦傷。在開(kāi)孔過(guò)程中，以海水為切削液，并嘗試減少切削液供應(yīng)，沒(méi)有明顯的火花，滿足鋼質(zhì)翻扣船舶無(wú)火花防爆開(kāi)孔的要求；同時(shí)，開(kāi)孔裝置與鋼板連接穩(wěn)固可靠，沒(méi)有明顯的滑移，鏜刀能完整地完成一周鏜削，證明其夾具的穩(wěn)定性符合要求。

在電鉆開(kāi)孔對(duì)比試驗(yàn)中，開(kāi)孔過(guò)程繁瑣，需鉆、剪、鋸等多個(gè)工藝及相關(guān)設(shè)備配合完成。在試驗(yàn)過(guò)程中，工具損壞嚴(yán)重，需多次更換鉆頭，這將嚴(yán)重影響救援速度。電鉆開(kāi)孔歷時(shí)6 h，鉆孔約400個(gè)連成380 mm×400 mm的矩形孔洞，洞口有非常多的尖狀突出，粗糙度遠(yuǎn)大于Ra100 μm，對(duì)人員脫困造成一定威脅。在模擬試驗(yàn)中，整體救援作業(yè)時(shí)間為8 h，在惡劣的海況下，漫長(zhǎng)的開(kāi)孔過(guò)程會(huì)極大地?fù)p耗救援人員的體能，同時(shí)電鉆開(kāi)孔的高噪聲和長(zhǎng)耗時(shí)容易導(dǎo)致被困人員產(chǎn)生過(guò)大的心理壓力和生理壓力，通常會(huì)錯(cuò)過(guò)最佳救援時(shí)機(jī)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)黃渤海海域船舶翻扣事故增多和相應(yīng)的救援設(shè)備缺乏的現(xiàn)狀，研制出符合鋼質(zhì)翻扣船舶開(kāi)孔救援實(shí)際情況的開(kāi)孔系統(tǒng)，得到以下結(jié)論：

1) 基于鏜削加工的船用鋼板無(wú)火花防爆高效

開(kāi)孔系統(tǒng)符合實(shí)用現(xiàn)狀和救援要求，將極大地提高海上應(yīng)急救援的開(kāi)孔速度，快速、安全地打開(kāi)生命通道。

2) 新型開(kāi)孔系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良，在海上應(yīng)急救助領(lǐng)域具有很高的推廣價(jià)值，將大大增強(qiáng)專業(yè)海上救助隊(duì)伍的應(yīng)急救助能力；同時(shí)，較短的救助時(shí)間有利于減輕被困人員的心理壓力和生理壓力，間接社會(huì)效益巨大。

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