海上救援鋼質翻扣船舶開孔系統

趙世野

(交通運輸部北海救助局, 山東 煙臺 264012)

我國黃渤海海域船舶眾多，其中以中小型鋼質船舶為主。由于該海域水道狹窄、氣候條件惡劣、船舶運行密度大，每年都會發生多起船舶翻扣事故。[1]此類險情一旦發生，需救助人員快速地在船體上開出孔洞，及時救出被困人員。[2-5]目前沒有專門用于翻扣船舶開孔救助的設備，應用普通的鋼板切割設備進行開孔救助存在以下缺點：

1) 開孔過程中存在安全隱患。由于小型船舶的燃料以輕柴油為主，翻扣船艙封閉氣室內通常會存在易燃易爆的氣體，利用氧氣-乙炔和等離子等常規熱切割方式及鋸片和砂輪等部分冷切割方式進行船底鋼板開孔作業會產生高溫火花或出現局部溫度升高的情況，極易引發爆炸，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產生火花，但水射流在穿透鋼板之后發生強烈的不規則濺射，容易給被困人員帶來二次傷害。

2) 開孔救援存在時間限制。傳統的海上翻扣船舶開孔救援多采用成排電鉆開孔、液壓剪剪斷孔橋的方式[2]，耗時較長。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間很短，一旦不能迅速開孔，將造成封閉氣室內的空氣大量流失，甚至導致船體快速下沉，對被困人員和救援人員的生命安全構成嚴重威脅。同時，長時間的救助會給救援人員和被困人員的體力帶來嚴峻的挑戰。因此，研制鋼質翻扣船舶無火花快速開孔救人系統是保證海上救援順利進行的關鍵。

針對上述問題，開展基于切削加工的船用鋼板無火花防爆高效開孔技術研究，并進行相關系統的研制，為營救海上翻扣船舶被困人員提供有力的技術支持和裝備保障。

1 開孔系統設計

在1 h內切割厚度≤20 mm的鋼板，切割過程中不能產生任何可能引起爆炸、燃燒的火花。設備應輕便、易于攜帶，降低救援人員的勞動強度。設備與遇險船舶的結合快速、穩固可靠，一定幅度的船體搖擺應不影響設備的正常運行。設備滿足環保要求，切割過程中無污染物產生。

1.1 刀頭總成

以往使用電鉆在翻扣船舶上開孔，鉆孔一般呈方形排列，而方形孔有棱角，易刮傷被救人員，同時切割行程長，切割設備轉角不方便，因此這里設計開孔類型為圓形孔。對于材料去除的形式，可考慮采用銑削、鏜削等。受質量限制，結構剛度有限，銑削在切削過程中可能無法形成規整的圓形槽，而鏜削的穩定性相對較好。此外，銑削要求刀具本身能轉動，相比鏜削結構更為復雜，且容易在冷卻不充分的情況下產生較多火花。

本文以鏜削方式設計切削結構，開孔形式為直徑460 mm的圓形孔。圖1為鏜削刀盤結構，設計的刀頭總成包括刀盤驅動軸和刀盤驅動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個刀架，3個刀架上各安裝有1把切削軌跡重合的刀頭。3把刀頭具有不同的形狀，分別完成向內下方、正下方和外下方等3個方向的切削。3把刀頭分別為下端刀刃向外側折彎的外翻刀頭、下端刀刃向內側折彎的內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為刀盤驅動軸； 2為刀盤； 3為刀架； 4為外翻刀頭； 5為直刀刀頭； 6為內翻刀頭

圖1 鏜削刀盤結構

該裝置的刀頭結構可在保證結構強度的前提下限制刀盤部分的質量。3把刀內、中、外分布的設計將切削反作用力分散到3把刀上，增大了切槽寬度，減輕了單刀負荷，有利于散熱，并能防止出現夾刀現象。

1.2 傳動和進給機構設計

在翻扣船上開孔，考慮到便攜因素，初步選取異步電機作為動力源，經過減速器連接主軸，由主軸驅動刀盤轉動，完成圓周切削，以此保證開孔作業快速、高效地進行。傳動機構包括主軸和刀盤套筒，進給機構不單獨供給動力，采用差動進給機構，用一組齒輪，通過絲杠螺母將主軸扭矩轉為軸向進給力。

傳動進給機構工作時，主軸帶動刀盤套筒轉動，主軸輪通過多級齒輪驅動齒輪螺母，齒輪螺母在外殼體和滾珠的作用下在固定位置處轉動，絲杠向下移動，通過上軸承-向心球軸承和下軸承-圓錐滾子軸承對進給刀盤套筒施加向下的壓力，完成進給動作，實現刀具的進給切削。主軸及進給機構示意見圖2。

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

圖2 主軸及進給機構示意

1.3 其他機構設計

在翻扣船體上開孔類似于粗加工，雖然對夾具的精密度要求不高，但因船體表面結構不規則，較為穩定地固定開孔難度較大。該設計預設的作業環境是翻扣船舶鋼板表面吸附物基本清除之后，使用永磁體對船體鐵制外殼進行吸附固定。考慮到船體鋼板一般為外凸形，設計3個分別具有1個轉動自由度的永磁體吸附支撐腳，其結構見圖3。該結構在3個支撐腳都吸附船體表面鋼板之后，夾具自由度變為0，可有效完成開孔系統在船體上的固定。

根據多年的救助經驗，被困人員在被困船艙內通常會出現情緒不穩定、注意力不集中的現象，防護能力變弱，在開孔過程中需防范鋼板切割之后掉落和切屑對其造成二次傷害。該設計在刀盤下方設置永磁體對切屑和鋼板進行簡單的吸附，減少對人員的傷害(見圖4)。

1.4 總體結構

鏜削開孔系統主要包括電機、減速裝置、進給控制機構、刀盤和固定裝置等，其總體結構示意見圖5。由電機輸出動力，經過減速器多級減速之后，實現進給運動。進給減速裝置通過4級齒輪減速，采用機械差速自動進刀系統，進給裝置和刀盤驅動軸為一體化設計，電機、減速器、動力軸和刀盤同心差速運行。

注：1為電機； 2為減速器； 3為動力過渡軸； 4為主動齒輪； 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； 17為滾珠； 18為進給控制機構； 19為上軸承； 20為支架

圖5 鏜削開孔系統總體結構示意

2 參數計算

2.1 切削力和切削功率計算

在設計刀具參數時，主要考慮以下2方面事項。

1) 該系統由于要求減重，工作環境不穩定，因此在設計刀具時優先選取較大主偏角κr，以降低對系統剛度的要求。

2) 在對鋼板整體的鏜削進行加工時，內外刀頭都要持續斷屑，且要有較大主偏角。

因此，選取內外刀主偏角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內切削厚度≤20 mm的鋼板，船用鋼板的抗拉強度通常為490～675 MPa，屈服強度為345 MPa。設定轉速nc=17 r/min，切削半徑r=230 mm，切削速度vc=25 m/min，進給量f=0.08 mm/r，則估算需15 min完成開孔。背吃刀量分別為內翻刀頭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動方向上的分力Fc，進給運動方向上的分力Ff，垂直于Fc和Ff的背向力Fp。根據式(1)～式(4)[9-10]對3把刀的受力進行分析計算。

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系系數；xF，yF，nF為切削因素對切削力影響程度指數，并有nF<0；KFc，KFp，KFf統稱為KF，是各切削因素變化對切削力的影響系數。KMF，KγoF，KκrF分別為加工材料、前角γo及主偏角κr對切削力影響的修正系數。

切削材料船用鋼屬于結構鋼，選表1和表2中的參數進行計算，由于在低速切削時切削力隨切削速度的增大而增大，當到達某臨界速度時將隨切削速度的增大而減小。這是因為低速時產生積屑瘤，使前角γo增大，切削變形小，參考《金屬切削手冊》[9]和鏜削加工經驗，該設計中的切削速度在該臨界點附近，同時由于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，得出各刀頭受力見表3。

表1 縱車外圓、橫車及鏜孔刀具受力F公式中各項系數

表2 車刀加工的修正系數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，總轉矩T1=429 N·m，切削功率Pc=0.78 kW，總進給力Ff=1 371 N。

2.2 傳動和進給機構尺寸設計與計算

該部分計算的主要目的是將刀盤處轉矩和功率換算到主軸上，其中切削力矩是已知的，這里通過進給機構將進給力換算為主軸力矩。進給機構通過齒輪結構從主軸中導出用于進給的力矩，該部分不僅簡化了結構，無需獨立的進給動力源，同時可利用多級齒輪控制進給量。在絲杠螺母的設計中，考慮到結構的整體性，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。要達到設定進給量f=0.08 mm/r，圖2中進給齒輪與齒輪螺母的傳動比應為i=75。以此為基礎，設計多級齒輪進給控制裝置見圖7。圖7為進給機構示意，多級齒輪將扭轉力轉為進給力，可降低進刀功率消耗，解決間隙累計帶來的刀具竄動問題。在進給變速軸4上設置離合器和復位彈簧，用扳手轉動扭轉段，即可實現退刀功能。

刀盤與減速器輸出軸的連接可看作是一個聯軸器，估算其傳動效率為0.98，兩軸承傳動效率均記為0.97，忽略進給中的功率消耗，則減速器輸出軸功率應為Po=0.82 kW，減速器的輸出轉矩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，可有效減輕質量。其他參數及電機的選擇遵循舊例，不再作說明。

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

圖7 進給機構示意

3 試驗研究與討論

在進行試驗設計時，選擇船用鋼作為開孔材料模擬船體情況。設計試驗為：鋼板厚度20 mm，第1組以鏜削開孔裝置開孔(見圖8)；第2組以電鉆開孔(見圖9)，分別模擬海上救援情況，記錄模擬過程。

a)切開的孔口b)切下的鋼板

圖8 鏜削開孔法

試驗結果表明，采用鏜削開孔法切割直徑為460 mm的圓孔，僅用15 min，1副刀具即可完成整個開孔過程。整體模擬鋼質翻扣船救援作業(包括救援船起重機下放開孔裝置和開孔)裝置開孔的時間<20 min，僅需1名起重機操作員和1名開孔裝置操作員，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擦傷。在開孔過程中，以海水為切削液，并嘗試減少切削液供應，沒有明顯的火花，滿足鋼質翻扣船舶無火花防爆開孔的要求；同時，開孔裝置與鋼板連接穩固可靠，沒有明顯的滑移，鏜刀能完整地完成一周鏜削，證明其夾具的穩定性符合要求。

在電鉆開孔對比試驗中，開孔過程繁瑣，需鉆、剪、鋸等多個工藝及相關設備配合完成。在試驗過程中，工具損壞嚴重，需多次更換鉆頭，這將嚴重影響救援速度。電鉆開孔歷時6 h，鉆孔約400個連成380 mm×400 mm的矩形孔洞，洞口有非常多的尖狀突出，粗糙度遠大于Ra100 μm，對人員脫困造成一定威脅。在模擬試驗中，整體救援作業時間為8 h，在惡劣的海況下，漫長的開孔過程會極大地損耗救援人員的體能，同時電鉆開孔的高噪聲和長耗時容易導致被困人員產生過大的心理壓力和生理壓力，通常會錯過最佳救援時機。

4 結束語

本文針對黃渤海海域船舶翻扣事故增多和相應的救援設備缺乏的現狀，研制出符合鋼質翻扣船舶開孔救援實際情況的開孔系統，得到以下結論：

1) 基于鏜削加工的船用鋼板無火花防爆高效

開孔系統符合實用現狀和救援要求，將極大地提高海上應急救援的開孔速度，快速、安全地打開生命通道。

2) 新型開孔系統操作簡單、性能優良，在海上應急救助領域具有很高的推廣價值，將大大增強專業海上救助隊伍的應急救助能力；同時，較短的救助時間有利于減輕被困人員的心理壓力和生理壓力，間接社會效益巨大。

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