薛 濤，李 臣，馬遠(yuǎn)洋，彭 沛

（湖北三六一一應(yīng)急裝備有限公司，湖北 武漢430090）

軟管自動(dòng)敷設(shè)裝置受軟管口徑、軟管距離限制，一般采取整車式設(shè)計(jì)。整車式設(shè)計(jì)通常基于重載、長(zhǎng)軸距專用底盤來實(shí)現(xiàn)大口徑（DN≥300mm）、遠(yuǎn)程（L≥2000m）軟管的自動(dòng)敷設(shè)功能，整車較長(zhǎng)（L≥11000mm）、整備質(zhì)量較重（m≥28000kg）。整車式設(shè)計(jì)受限于底盤機(jī)動(dòng)性、整備質(zhì)量以及整長(zhǎng)，較難適應(yīng)復(fù)雜地域的應(yīng)急保障；整車式一車一用，功能無法拓展，處置解決突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，受塌方、塌陷、泥石流、落石等次生災(zāi)害的影響，其無法勝任遂行作戰(zhàn)任務(wù)樣式的多變，問題處置時(shí)效性較差；同時(shí)底盤發(fā)生故障會(huì)造成整套裝備趴窩，直接導(dǎo)致任務(wù)嚴(yán)重受阻。

國(guó)內(nèi)外另一種軟管自動(dòng)敷設(shè)裝備采取“專用軟管自動(dòng)敷設(shè)運(yùn)輸車+可裝卸式軟管存儲(chǔ)箱”設(shè)計(jì)，其局限為：設(shè)計(jì)主要面向小口徑（DN≤150mm）或短距離（L≤1000m）軟管自動(dòng)敷設(shè)提供解決方案；自動(dòng)敷設(shè)裝置占用整車前部空間，造成運(yùn)輸?shù)妆P適應(yīng)系列功能模塊的通用性、標(biāo)準(zhǔn)化程度降低，裝備功能拓展難度增大。

基于上述分析，研究一種大口徑遠(yuǎn)程軟管自動(dòng)敷設(shè)集成模塊補(bǔ)充完善應(yīng)急裝備體系尤為重要。本設(shè)計(jì)為系列裝備的軍用、應(yīng)急戰(zhàn)略物資戰(zhàn)儲(chǔ)保障、應(yīng)急快速反應(yīng)、解決遂行多樣性任務(wù)提供了新思路。

1 模塊結(jié)構(gòu)

模塊借鑒標(biāo)準(zhǔn)方艙設(shè)計(jì)，集裝箱采用整體式鋼結(jié)構(gòu)焊接制造，內(nèi)置軟管自動(dòng)敷設(shè)裝置、控制系統(tǒng)、柴油機(jī)、液壓系統(tǒng)，可滿足2000m軟管儲(chǔ)存、敷設(shè)。

集裝箱骨架選用不同規(guī)格冷拔無縫鋼管，并做好防銹處理，保證箱體總成強(qiáng)度、剛度及耐腐蝕。集裝箱四角設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)角件，可滿足集裝箱碼垛、鎖緊、吊裝。

集裝箱前部下方為工作艙，其內(nèi)安裝有柴油機(jī)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、配套工具、照明燈等。柴油機(jī)為本模塊動(dòng)力來源，其直接驅(qū)動(dòng)液壓泵根據(jù)工況輸出具備一定壓力、流量的工作介質(zhì)，保障軟管自動(dòng)敷設(shè)裝置實(shí)現(xiàn)各功能。液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)在滿足系統(tǒng)用油、充分散熱的前提下，選用小型油箱并在油路上設(shè)有強(qiáng)制風(fēng)冷；油路采用軟管+硬管式走線，使油路緊湊、美觀，并為安裝、維保節(jié)省寶貴的空間?？刂葡到y(tǒng)集成了柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制與軟管自動(dòng)敷設(shè)裝置操縱控制兩部分，可實(shí)現(xiàn)調(diào)控柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、軟管自動(dòng)敷設(shè)裝置各動(dòng)作、系統(tǒng)冷卻、報(bào)警顯示、急停、照明等功能。控制方式設(shè)有遙控操作與應(yīng)急手柄控制，正常情況下采用遙控操作，當(dāng)遙控功能失效時(shí)可通過應(yīng)急手柄控制。工作艙內(nèi)還安裝有電瓶箱、配套工具等。

集裝箱后部為軟管儲(chǔ)存箱，可收儲(chǔ)存放2000m軟管。整機(jī)結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)布置圖

2 模塊功能

模塊可實(shí)現(xiàn)軟管自動(dòng)敷設(shè)裝置“舉升/下降”“旋出/旋入”“閉/開輥”“低速/中速/高速收卷”等一整套動(dòng)作，可完成大口徑（DN≥300mm）、遠(yuǎn)距離（L≥2000m）軟管的自動(dòng)敷設(shè)回收。

3 模塊原理

3.1 液壓設(shè)計(jì)

分析模塊多種工況可知：系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間≤3h，系統(tǒng)壓力Pmax=18MPa，設(shè)定三檔軟管收卷速度對(duì)應(yīng)通過流量q1=15L/min、q2=30L/min、q3=45L/min。

3.1.1 液壓泵選型

系統(tǒng)選用定量泵。考慮系統(tǒng)泄露系數(shù)K（取1.05），液壓泵的流量Qb=QmK=45×1.05=47.25l/min；液壓泵排量，取整為25ml/r，式中：Qm為執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大流量；ηv為液壓泵容積效率，取值0.93；nm為液壓泵轉(zhuǎn)速，初選nm=1800r/min。

液壓泵的工作壓力由負(fù)載的性質(zhì)決定，系統(tǒng)液壓泵額定壓力PN=Pb+ΣΔp=18+1=19MPa。

本系統(tǒng)Pb=Pmax=18MPa，系統(tǒng)壓力損失ΣΔp取值1MPa。

選取CBT-F423型定量液壓泵，公稱排量Vb=25ml/r、額定壓力Pb=20MPa，額定轉(zhuǎn)速n=2500r/min。

3.1.2 柴油機(jī)設(shè)計(jì)選型

分析裝備工況，計(jì)算柴油機(jī)功率、扭矩，充分對(duì)比國(guó)內(nèi)知名品牌發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及特性曲線最終選取某款柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=1300r/min～2000r/min時(shí)，輸出扭矩T=97.5N·m～106N·m，輸出功率P=13.2kW～22kW，功率與扭矩均滿足所需，且轉(zhuǎn)速為經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速。為了改善柴油機(jī)冷卻動(dòng)性能，柴油機(jī)增加了啟動(dòng)預(yù)熱裝置。柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)見表1。

表1

3.1.3 液壓回路設(shè)計(jì)

裝備液壓系統(tǒng)原理圖見圖2。分析可知，在旋轉(zhuǎn)回路中采用雙液控單向閥構(gòu)成鎖緊回路，通過3#三位四通電磁閥工作位置的切換，可完成旋轉(zhuǎn)液壓缸的旋出、旋回和鎖緊三種工作狀態(tài)；在舉升回路中，采用外控式平衡閥設(shè)計(jì)，外控平衡閥的啟、閉取決于控制油口油壓的高低，與平衡閥的進(jìn)口壓力無關(guān)。通過設(shè)置平衡閥的開啟壓力，可有效防止舉升油缸由于自重下落或超速下降發(fā)生事故和氣穴現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)油路和舉升油路均采用節(jié)流調(diào)速調(diào)節(jié)油缸速度，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，維護(hù)使用簡(jiǎn)單。系統(tǒng)采用定量泵節(jié)流調(diào)速回路，為力求減少溢流損失，采用卸荷回路，具體為采用M型中位機(jī)能的三位四通電磁閥，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)作操縱切換過程中多余液壓流量的卸荷。

圖2 裝備液壓原理圖

3.1.4 散熱設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)工作中的各種壓力損失、容積損失和機(jī)械損失組成系統(tǒng)總的能量損失，其中絕大部分變?yōu)闊崮?，?dǎo)致液壓油溫升高。液壓系統(tǒng)工作時(shí)油液溫度一般應(yīng)控制在15℃～70℃范圍內(nèi)，最低油溫不低于15℃，最高油溫不超過75℃，液壓油溫度過高或過低都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不良影響。液壓油溫度過高，會(huì)造成：（1）石油基油液在溫度過高時(shí)易產(chǎn)生膠狀物質(zhì)，并在局部溫度過熱的表面形成沉積，易堵塞元件小孔；水-油乳化液過熱會(huì)分解失去工作能力；（2）液壓油粘度降低，增大泄露，泵的容積效率和系統(tǒng)效率會(huì)降低；（3）引起熱脹系數(shù)不同的運(yùn)動(dòng)之間間隙變化，正常的配合間隙遭到破壞，導(dǎo)致液壓閥閥芯容易卡死，同時(shí)由于潤(rùn)滑油膜變薄，機(jī)械磨損增加；（4）加速密封件老化變質(zhì)，壽命縮短，甚至喪失密封性；（5）油液氣化，水分蒸發(fā)，形成氣穴。因此系統(tǒng)溫升幅度大于液壓元件及系統(tǒng)承受范圍，應(yīng)設(shè)計(jì)強(qiáng)制冷卻措施來保證液壓系統(tǒng)整體性能的可靠和穩(wěn)定。

油箱的主要功能是儲(chǔ)存液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)，散發(fā)系統(tǒng)部分熱量、促進(jìn)油液中空氣分離及消除泡沫等，是液壓系統(tǒng)的重要部件。油箱內(nèi)部設(shè)置隔板，將油箱吸油區(qū)與排油區(qū)隔開，一方面增強(qiáng)了油箱強(qiáng)度，另一方面增加排油區(qū)至吸油區(qū)的油液路徑長(zhǎng)度，改善了循環(huán)油液冷卻與雜質(zhì)沉積。

本系統(tǒng)油箱容積小，散熱慢，設(shè)計(jì)采取強(qiáng)制風(fēng)冷措施。風(fēng)冷式冷卻安裝成本低、維修方便，不會(huì)對(duì)液壓系統(tǒng)造成損害。

系統(tǒng)總效率η=ηbηAηc=0.8096×0.85×0.66＝0.6；

系統(tǒng)發(fā)熱功率H＝P（1-η）＝7.6kW；

系統(tǒng)需要的比散熱量qreq=H/（Toil-Tair）=0.19kW/℃，式中：a-經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，系統(tǒng)取值為4；Qv-液壓泵每分鐘排出液壓油的容積，l；η-系統(tǒng)總效率；ηb-液壓泵效率；ηA-執(zhí)行機(jī)構(gòu)總效率；ηc-系統(tǒng)回路效率；P-系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)功率（W）；Toil-允許油液最高溫度；Tair-油液環(huán)境溫度。

選擇DET2-2/DC24V型風(fēng)冷器，其實(shí)際比散熱量q=0.275kW/℃，設(shè)計(jì)加裝旁通閥，當(dāng)回路阻力大于旁通閥開啟壓力時(shí)，旁通閥開啟，液壓油直接流回油箱，避免因阻力過大，損壞冷卻器。

冷卻器實(shí)際散熱量Q=q（Toil-Tair）=10.8kW。

冷卻器進(jìn)出口油溫差計(jì)算：ΔToil=（33×10.8）/27=13.2℃，系統(tǒng)液壓冷卻符合要求。經(jīng)實(shí)際多次撤收軟管作業(yè)，液壓油溫均在正常范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該散熱設(shè)計(jì)是合理的。

3.2 控制設(shè)計(jì)

模塊工作時(shí)經(jīng)常需要在“低速/中速/高速收卷”三種模式下切換，為簡(jiǎn)化操作流程，提升裝備控制集成，同時(shí)考慮安全，將軟管自動(dòng)敷設(shè)裝置操縱與柴油機(jī)油門調(diào)節(jié)進(jìn)行了遙控同步集成。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為三擋：低速檔（n1=1500r/min）、中速檔（n2=1700r/min）、高速檔（n3=2000r/min）。低速檔進(jìn)行“舉升/下降”“旋出/旋入”“低速收卷”；中速檔進(jìn)行“中速收卷”；高速檔進(jìn)行“高速收卷”。其中柴油機(jī)的低速檔轉(zhuǎn)速設(shè)置，兼顧了該狀態(tài)下系統(tǒng)用油量、柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速、寒冷季節(jié)柴油機(jī)方便啟動(dòng)等多方因素考量。

為滿足惡劣工況下控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的需求，控制系統(tǒng)核心采用特種車輛專用可編程控制器（簡(jiǎn)稱PLC），其防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP65級(jí)。其控制模式為現(xiàn)場(chǎng)I/O邏輯控制和CAN總線控制相結(jié)合。檢測(cè)元件由光電傳感器、限位開關(guān)、接近開關(guān)等組成，執(zhí)行元件由繼電器、電磁閥、聲光設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速器等組成。根據(jù)外部輸入的操作指令，系統(tǒng)按照PLC內(nèi)部存儲(chǔ)的控制程序自動(dòng)對(duì)相關(guān)部件執(zhí)行控制，自動(dòng)完成相關(guān)工藝流程要求的操作。其中PLC采用CAN總線對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行通訊和控制，CAN總線采用的是SAE（美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)）推薦標(biāo)準(zhǔn)J1939通訊協(xié)議，通訊速率達(dá)到250kbps。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝備除了具備良好的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制設(shè)計(jì)外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。模塊在滿足強(qiáng)度、剛度前提下，充分進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮優(yōu)化人機(jī)性能。

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合大箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮操作保養(yǎng)的便利，風(fēng)冷器進(jìn)出風(fēng)通道保持通暢，做好防水滲漏；柴油機(jī)三濾、機(jī)油排污口、油箱清洗口處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便維保；柴油箱設(shè)計(jì)保證模塊在裝卸過程中油液不會(huì)滲漏；尾氣管排出位置應(yīng)考慮操作安全；電瓶箱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮方便取放電池、防水設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證了模塊裝車后操作便利。水帶儲(chǔ)存大箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)考慮不會(huì)剮蹭水帶、安全操作。

4 模塊參數(shù)

（1）外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：≤7250mm×2438mm×2600mm。（2）整備質(zhì)量：16450kg。（3）敷設(shè)軟管口徑：DN300mm。（4）軟管敷設(shè)距離：2000m。（5）敷設(shè)速度：≤45km/h。（6）撤收速度：≤2.5km/h。（7）管線最大收卷力：2500N。

5 運(yùn)輸方案

模塊面向系列化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)動(dòng)運(yùn)輸平臺(tái)研發(fā)，通常選用自裝卸運(yùn)輸車作為標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，根據(jù)需要匹配不同性能、參數(shù)的自裝卸運(yùn)輸車，實(shí)現(xiàn)了功能上裝的模塊化，同時(shí)也促進(jìn)自裝卸運(yùn)輸車的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，拓展了列裝自裝卸運(yùn)輸車的功能。此外，模塊還可配套框架式吊具，通過轉(zhuǎn)鎖與集裝箱頂部的角件進(jìn)行連接，框架上部設(shè)置吊環(huán)與吊車鉤連接，廣泛運(yùn)用于各碼頭，實(shí)現(xiàn)海運(yùn)。

6 結(jié)束語

模塊設(shè)計(jì)的初衷是借鑒標(biāo)準(zhǔn)化集裝箱設(shè)計(jì)，依托系列自裝卸車、平板車等完成不同地域地形作業(yè)。獨(dú)立的功能模塊可提高裝備系列通用的層次和拓展其通用的范圍。

本模塊利用先進(jìn)的技術(shù)成果，動(dòng)力匹配合理、液電控制齊全、尺寸緊湊，裝備系列兼容性較強(qiáng)，可以有效提升系列裝備的保障技術(shù)水平，提高裝備可靠性和綜合保障效能，實(shí)現(xiàn)了“儲(chǔ)運(yùn)集裝化、籌措單元化、裝卸機(jī)械化、使用模塊化”。