(交通運(yùn)輸部北海救助局,山東 煙臺(tái) 264012)

海上應(yīng)急救撈遇險(xiǎn)船舶開(kāi)孔裝置設(shè)計(jì)

趙世野

(交通運(yùn)輸部北海救助局,山東 煙臺(tái) 264012)

針對(duì)目前海上應(yīng)急救撈遇險(xiǎn)船舶傳統(tǒng)開(kāi)孔方法耗時(shí)長(zhǎng)，現(xiàn)有開(kāi)孔裝置不適合傾斜狀態(tài)和水下使用的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種新型低重心、輕量化、液壓驅(qū)動(dòng)的開(kāi)孔裝置，通過(guò)建立核心零部件的有限元模型，校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，分析結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力和液壓動(dòng)力系統(tǒng)。研究表明，該裝置設(shè)計(jì)合理，具有良好的可使用性。

海上救援；船體開(kāi)孔；水下切削；液壓驅(qū)動(dòng)

在我國(guó)沿海海域，每年都會(huì)有中小型鋼質(zhì)船舶發(fā)生翻扣事故[1-2]。對(duì)于此類(lèi)險(xiǎn)情，通常需要救助人員及時(shí)在船體開(kāi)出孔洞，為被困人員打開(kāi)生命通道[3-5]。由于翻扣船艙內(nèi)通常會(huì)存在易燃易爆氣體，需要使用無(wú)火花快速開(kāi)孔裝置實(shí)施人命救助。在實(shí)際救險(xiǎn)過(guò)程中，遇險(xiǎn)船舶險(xiǎn)情各異，適合開(kāi)孔的船板很少為水平狀態(tài)，大多相對(duì)于水平面傾斜，甚至存在需要進(jìn)行水下開(kāi)孔的狀況?，F(xiàn)有的應(yīng)急救助開(kāi)孔裝置整體高度偏高，在傾斜狀態(tài)下使用時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的主軸易出現(xiàn)擺動(dòng)，影響切割效果；裝置重量較重，需要磁吸力非常大的永磁體來(lái)解決固定問(wèn)題，進(jìn)一步增大了裝置重量和成本；另外，現(xiàn)有裝置使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，要求的防護(hù)等級(jí)較高，不利于在水中使用。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種可在惡劣海況或水中傾斜使用的應(yīng)急救撈遇險(xiǎn)船舶開(kāi)孔裝置。

1 結(jié)構(gòu)原理

圖1 開(kāi)孔器

開(kāi)孔裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，裝置動(dòng)力設(shè)備為液壓馬達(dá)，以便于在水下應(yīng)用。液壓馬達(dá)由船舶液壓油驅(qū)動(dòng)，液壓馬達(dá)帶動(dòng)主軸使內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，刀具與其刀架設(shè)置于內(nèi)圈上并隨之旋轉(zhuǎn)，完成圓周切削，開(kāi)出圓形孔洞。外殼體(外圈)與3個(gè)支撐腳連接永磁體，是開(kāi)孔裝置的支撐結(jié)構(gòu)；內(nèi)圈通過(guò)鎖緊座和楔塊連接在外圈內(nèi)部。進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用行星齒輪式設(shè)計(jì)，外圈內(nèi)徑有齒輪作行星架，內(nèi)圈設(shè)置3個(gè)齒輪箱，其內(nèi)設(shè)置齒輪組作行星輪，行星輪驅(qū)動(dòng)刀架上的進(jìn)給絲杠完成轉(zhuǎn)動(dòng)變直動(dòng)的轉(zhuǎn)換，刀架沿導(dǎo)向滑板完成徑向進(jìn)給工作。

①為避免傾斜狀態(tài)下主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)擺動(dòng)，本裝置設(shè)定主軸端部軸承間的軸向距離與軸承內(nèi)徑之比不小于2，從而減小軸承間隙所導(dǎo)致的主軸晃動(dòng)角度，提高主軸的支撐剛度；②采用液壓馬達(dá)替代原有的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，液壓馬達(dá)自身轉(zhuǎn)速低、輸出轉(zhuǎn)矩大，不需要減速器即可滿(mǎn)足切割轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的要求，一方面減輕了裝置的重量，另一方面降低了裝置的重心，裝置在傾斜狀態(tài)下與船板之間的連接更加穩(wěn)固，抗傾覆能力更強(qiáng)，也降低了對(duì)永磁體吸附力的要求；③限定裝置總高度與切割直徑之間的比例，在強(qiáng)度足夠的前提下，減小進(jìn)給齒輪尺寸，同時(shí)通過(guò)對(duì)進(jìn)給絲杠的合理布置，極大地降低了裝置高度，可有效避免裝置重心過(guò)高導(dǎo)致的傾翻風(fēng)險(xiǎn)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 刀盤(pán)機(jī)構(gòu)

現(xiàn)有開(kāi)孔裝置的刀盤(pán)機(jī)構(gòu)在使用中主要存在以下缺陷：①刀盤(pán)在水下易受到水流的沖擊，導(dǎo)致刀盤(pán)和主軸發(fā)生擺動(dòng)，影響正常的切割；②刀盤(pán)過(guò)重，驅(qū)動(dòng)裝置負(fù)載高。

為此，提出如圖2所示的刀盤(pán)機(jī)構(gòu)，采用鏜刀式設(shè)計(jì)，主要由刀具、導(dǎo)向滑板、內(nèi)圈、進(jìn)給絲杠、刀架組成。開(kāi)孔為半徑r=230 mm的圓形孔，在圓形切削軌跡上均布內(nèi)中外3把鏜刀，以減輕單刀負(fù)荷并有利于散熱，減少在無(wú)切削液的情況下出現(xiàn)火花的可能性。該刀盤(pán)機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①刀盤(pán)在水下旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)圈置于裝置外圈內(nèi)，刀盤(pán)只在刀架處受到水流沖擊；②內(nèi)圈頂面為輻輪狀，進(jìn)一步減輕了刀盤(pán)的重量。

圖2 刀盤(pán)總成

2.2 傳動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)如圖3所示，齒輪箱與內(nèi)圈是一體的，內(nèi)圈在液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪箱在隨著內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，行星齒輪與外圈行星架?chē)Ш?，?jīng)過(guò)多組齒輪的變速，最終驅(qū)動(dòng)進(jìn)給絲杠使轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為刀架的直線運(yùn)動(dòng)。

選取大徑為20 mm、螺距為4 mm的絲杠，并按進(jìn)給量為0.08 mm/r、傳動(dòng)比為50進(jìn)行齒輪組設(shè)計(jì)。為防塵以及事故現(xiàn)場(chǎng)的其他雜物對(duì)齒輪嚙合造成不良影響，3組進(jìn)給齒輪設(shè)置在齒輪箱內(nèi)。離合器以彈簧形式復(fù)位，可在緊急時(shí)切斷刀具進(jìn)給動(dòng)力。

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)

選用液壓方式，與船舶液壓系統(tǒng)對(duì)接。由于液壓系統(tǒng)在高鹽、高濕環(huán)境中工作，需要對(duì)閥類(lèi)零件及連接件做一定防護(hù)。液壓系統(tǒng)原理見(jiàn)圖4。系統(tǒng)中工作壓力為小于7 MPa的低壓，選取優(yōu)選數(shù)系中的2 MPa為工作壓力，執(zhí)行元件為液壓馬達(dá)，背壓設(shè)置為0.5 MPa，由于開(kāi)孔裝置設(shè)計(jì)為定速鏜削，選取液壓馬達(dá)為定量馬達(dá)，液壓馬達(dá)正反轉(zhuǎn)分別控制進(jìn)刀和退刀。

3 計(jì)算與仿真分析

3.1 刀具設(shè)計(jì)基本參數(shù)

參數(shù)選取主要考慮2方面因素：①本系統(tǒng)由于要求減重，工作環(huán)境不穩(wěn)定，因而在刀具設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先選取較大主偏角κr，以減小對(duì)系統(tǒng)剛度的要求；②在對(duì)鋼板整體的鏜削加工中，內(nèi)外刀頭都要持續(xù)斷屑，也需要較大主偏角，因此，選取內(nèi)外刀主偏角κr1,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。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。

參照已設(shè)計(jì)的開(kāi)孔裝置，在相同切削條件(轉(zhuǎn)速n=17 r/min)下，計(jì)算得出各刀頭受力情況見(jiàn)表1。計(jì)算可得刀頭位置總轉(zhuǎn)矩T1=429 N·m，切削功率Pc=0.78 kW[7-8]。

新型液壓驅(qū)動(dòng)開(kāi)孔裝置的功率損耗主要來(lái)自于聯(lián)軸器、齒輪組和楔塊與外圈間的摩擦，取聯(lián)軸器傳動(dòng)效率為0.95，齒輪組傳動(dòng)效率為0.89，楔塊與外圈間傳遞效率為0.90，計(jì)算得到液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩為563 N·m，輸出功率為1.02 kW。

表1 各刀頭受力表 N

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

為了減輕裝置重量，開(kāi)孔裝置主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)圈和外圈采用輻板狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用有限元分析軟件Ansys Workbench和網(wǎng)格劃分軟件ICEM對(duì)內(nèi)外圈的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，以保證開(kāi)孔裝置的剛度等重要指標(biāo)的安全性。

對(duì)外圈做結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，材料為鑄鐵，網(wǎng)格尺寸為4 mm，采用四面體與六面體混合網(wǎng)格，外圓周支撐面固定，簡(jiǎn)化螺栓連接，將轉(zhuǎn)矩T=563 N·m設(shè)置于內(nèi)圓周上，忽略?xún)?nèi)徑行星架上的受力。

外圈應(yīng)變分布見(jiàn)圖5。

圖5 外圈變形分布云圖

由圖5可見(jiàn)，外圈產(chǎn)生應(yīng)變的位置在中間環(huán)形圈處，最大變形為0.002 5 mm，不會(huì)產(chǎn)生明顯變形；外圓周變形幅度接近0。Ansys安全因子計(jì)算為15，遠(yuǎn)大于安全值1，表明這一結(jié)構(gòu)符合使用要求，有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

對(duì)內(nèi)圈做動(dòng)力學(xué)分析，模擬其運(yùn)動(dòng)情況。材料為鑄鐵，網(wǎng)格尺寸為4 mm，參照?qǐng)D1中內(nèi)圈的結(jié)構(gòu)設(shè)置約束，驅(qū)動(dòng)力設(shè)置于孔鍵槽處，切削阻力設(shè)置于刀架安裝位置，忽略行星齒輪之間的作用力。

圖6為內(nèi)圈應(yīng)力云圖，可以看出應(yīng)力集中位置在輪輻處和刀架安裝位置，等效應(yīng)力最大值為7.45 MPa，根據(jù)第一強(qiáng)度理論，考察鑄鐵許用應(yīng)力，有限元分析內(nèi)圈的等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，分析認(rèn)為內(nèi)圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。同時(shí)，Ansys workbench計(jì)算此結(jié)構(gòu)安全因子為15。

圖6 內(nèi)圈應(yīng)力云圖

3.3 裝置穩(wěn)定性分析

開(kāi)孔裝置開(kāi)孔過(guò)程中，3個(gè)永磁體支撐腳主要有2方面作用：①在液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用下保持裝置穩(wěn)定，避免出現(xiàn)開(kāi)孔圓周不閉合的情況；②保證開(kāi)孔裝置在目標(biāo)鋼板非水平或晃動(dòng)情況下具有抗傾覆穩(wěn)定性。

根據(jù)SolidWorks仿真計(jì)算，開(kāi)孔裝置重量約為280 kg，重心與磁鐵吸附面的距離為180 mm。取粗糙表面摩擦系數(shù)f為0.35，3個(gè)磁吸力F=4 000 N的永磁體分別為P1、P2、P3。其中P1為垂直高度最低的永磁體，切削工作時(shí)主軸輸出轉(zhuǎn)矩T=563 N·m，開(kāi)孔半徑r=230 mm。

3.3.1 扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性分析

抗扭轉(zhuǎn)矩主要由開(kāi)孔裝置和鋼板間的摩擦力生成，取摩擦力最小即開(kāi)孔器倒懸于目標(biāo)鋼板。由式(1)計(jì)算得最小抗扭轉(zhuǎn)矩T2=901 N·m，大于主軸輸出轉(zhuǎn)矩，表明抗扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性較好。

T2=(F1+F2+F3-G)fr

(1)

式中：F1、F2、F3分別為磁鐵吸附力；G為裝置的重力。

3.3.2 抗傾覆穩(wěn)定性分析

抗傾覆力矩主要由磁力產(chǎn)生，傾覆力主要為重力作用，傾覆支點(diǎn)為吸附面上垂向高度最低的永磁體P1，開(kāi)孔裝置安裝時(shí)，其抗傾覆能力最大為P2、P3以P1所在垂線對(duì)稱(chēng)，簡(jiǎn)化模型如圖7所示，計(jì)算如下。

M1=2(rsin 30°+r)F

(2)

M2=G(hcosβ-rsinβ)

(3)

式中：M1為抗傾覆力矩；M2為傾覆力矩；β為安裝時(shí)船體鋼板與垂直面的角度，∈[0°,90°]。

計(jì)算得，在定義域內(nèi)，當(dāng)β=0°時(shí)，2力矩之差有極小值M1-M2=2 256 N·m>0，表明該開(kāi)孔裝置有較好的抗傾覆穩(wěn)定性。

圖7 開(kāi)孔裝置固定示意

3.4 動(dòng)力系統(tǒng)仿真與計(jì)算

開(kāi)孔裝置的液壓系統(tǒng)以船舶液壓系統(tǒng)為動(dòng)力源，省卻液壓泵站的設(shè)計(jì)與購(gòu)置，計(jì)算液壓系統(tǒng)各零件參數(shù)并進(jìn)行基于AMEsim的系統(tǒng)仿真。

對(duì)液壓馬達(dá)排量V和最大流量q進(jìn)行計(jì)算。

V=2πT/▽Pηmm

(4)

q=Vnmax/ηmV

(5)

式中：T為馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩；▽p為液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓力差；ηmm為機(jī)械效率，取0.9；ηmV為容積效率，取0.8，nmax為主軸最大轉(zhuǎn)速。

計(jì)算得到V=2.6 mL/r，q=55.25 mL/min。

按照?qǐng)D4液壓原理設(shè)計(jì)仿真回路，以電機(jī)和定量泵模擬船舶液壓動(dòng)力源，以常量k=1×1030和電磁換向閥簡(jiǎn)化替代手動(dòng)換向閥模型，其他數(shù)據(jù)參照本文1.4部分，得出液壓馬達(dá)進(jìn)口流量。由圖8可以看出，液壓馬達(dá)進(jìn)口流量在短時(shí)間波動(dòng)后趨于穩(wěn)定，符合使用要求。

圖8 液壓馬達(dá)進(jìn)口流量

4 結(jié)論

1)裝置解決了傾斜狀態(tài)下主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)重心不穩(wěn)的難題，降低了裝置對(duì)高磁吸力的要求。

2)該裝置輕便、易于攜帶、靈活性強(qiáng)、安全系數(shù)高、穩(wěn)定性強(qiáng)，可在海上應(yīng)急救助領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用，提高人命救助能力，具有潛在的社會(huì)效益。

3)下一步需開(kāi)展水下相關(guān)實(shí)驗(yàn)以對(duì)裝置的綜合性能進(jìn)行驗(yàn)證。

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Design of Hole-opening Equipment Applied in Seawater for Emergency Salvage of Ships in Distress

ZHAOShi-ye

(Beihai Rescue Bureau of the Ministry of Transportation, Yantai Shandong 264012, China)

In view of the problems of long time consuming in traditional opening hole in hull and the existing device’s shortcoming in incline and underwater in the maritime emergency rescue, a hole-opening equipment with the low center of gravity and low weight was investigated based on hydraulic drive. By establishing the finite element models of core components, the structural strengths were checked. The hydraulic power system and the anti-overturning capability of hole-opening equipment were also analyzed. The research showed that the equipment is designed reasonably and has a good usability.

maritime rescue; hole-opening in hull; underwater cutting; hydraulic driving

U676.6

A

1671-7953(2017)06-0050-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.011

2017-10-09

2017-10-23

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAB12B06-07)資助

趙世野(1970—)，男，碩士生，高級(jí)工程師

研究方向：沉船救助與打撈技術(shù)及裝備研發(fā)