海上應急救撈遇險船舶開孔裝置設計

(交通運輸部北海救助局,山東 煙臺 264012)

海上應急救撈遇險船舶開孔裝置設計

趙世野

(交通運輸部北海救助局,山東 煙臺 264012)

針對目前海上應急救撈遇險船舶傳統開孔方法耗時長，現有開孔裝置不適合傾斜狀態和水下使用的現狀，設計一種新型低重心、輕量化、液壓驅動的開孔裝置，通過建立核心零部件的有限元模型，校核結構強度，分析結構的抗傾覆能力和液壓動力系統。研究表明，該裝置設計合理，具有良好的可使用性。

海上救援；船體開孔；水下切削；液壓驅動

在我國沿海海域，每年都會有中小型鋼質船舶發生翻扣事故[1-2]。對于此類險情，通常需要救助人員及時在船體開出孔洞，為被困人員打開生命通道[3-5]。由于翻扣船艙內通常會存在易燃易爆氣體，需要使用無火花快速開孔裝置實施人命救助。在實際救險過程中，遇險船舶險情各異，適合開孔的船板很少為水平狀態，大多相對于水平面傾斜，甚至存在需要進行水下開孔的狀況?，F有的應急救助開孔裝置整體高度偏高，在傾斜狀態下使用時，高速旋轉的主軸易出現擺動，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解決固定問題，進一步增大了裝置重量和成本；另外，現有裝置使用電機驅動，要求的防護等級較高，不利于在水中使用。針對上述問題，設計一種可在惡劣海況或水中傾斜使用的應急救撈遇險船舶開孔裝置。

1 結構原理

圖1 開孔器

開孔裝置總體結構如圖1所示，裝置動力設備為液壓馬達，以便于在水下應用。液壓馬達由船舶液壓油驅動，液壓馬達帶動主軸使內圈旋轉，刀具與其刀架設置于內圈上并隨之旋轉，完成圓周切削，開出圓形孔洞。外殼體(外圈)與3個支撐腳連接永磁體，是開孔裝置的支撐結構；內圈通過鎖緊座和楔塊連接在外圈內部。進給機構采用行星齒輪式設計，外圈內徑有齒輪作行星架，內圈設置3個齒輪箱，其內設置齒輪組作行星輪，行星輪驅動刀架上的進給絲杠完成轉動變直動的轉換，刀架沿導向滑板完成徑向進給工作。

①為避免傾斜狀態下主軸高速旋轉時出現擺動，本裝置設定主軸端部軸承間的軸向距離與軸承內徑之比不小于2，從而減小軸承間隙所導致的主軸晃動角度，提高主軸的支撐剛度；②采用液壓馬達替代原有的電機驅動，液壓馬達自身轉速低、輸出轉矩大，不需要減速器即可滿足切割轉速和轉矩的要求，一方面減輕了裝置的重量，另一方面降低了裝置的重心，裝置在傾斜狀態下與船板之間的連接更加穩固，抗傾覆能力更強，也降低了對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，在強度足夠的前提下，減小進給齒輪尺寸，同時通過對進給絲杠的合理布置，極大地降低了裝置高度，可有效避免裝置重心過高導致的傾翻風險。

2 結構設計

2.1 刀盤機構

現有開孔裝置的刀盤機構在使用中主要存在以下缺陷：①刀盤在水下易受到水流的沖擊，導致刀盤和主軸發生擺動，影響正常的切割；②刀盤過重，驅動裝置負載高。

為此，提出如圖2所示的刀盤機構，采用鏜刀式設計，主要由刀具、導向滑板、內圈、進給絲杠、刀架組成。開孔為半徑r=230 mm的圓形孔，在圓形切削軌跡上均布內中外3把鏜刀，以減輕單刀負荷并有利于散熱，減少在無切削液的情況下出現火花的可能性。該刀盤機構具有以下優點：①刀盤在水下旋轉時，內圈置于裝置外圈內，刀盤只在刀架處受到水流沖擊；②內圈頂面為輻輪狀，進一步減輕了刀盤的重量。

圖2 刀盤總成

2.2 傳動進給機構

傳動進給機構如圖3所示，齒輪箱與內圈是一體的，內圈在液壓馬達的驅動下轉動，齒輪箱在隨著內圈轉動的同時，行星齒輪與外圈行星架嚙合，經過多組齒輪的變速，最終驅動進給絲杠使轉動轉換為刀架的直線運動。

選取大徑為20 mm、螺距為4 mm的絲杠，并按進給量為0.08 mm/r、傳動比為50進行齒輪組設計。為防塵以及事故現場的其他雜物對齒輪嚙合造成不良影響，3組進給齒輪設置在齒輪箱內。離合器以彈簧形式復位，可在緊急時切斷刀具進給動力。

2.3 動力系統

選用液壓方式，與船舶液壓系統對接。由于液壓系統在高鹽、高濕環境中工作，需要對閥類零件及連接件做一定防護。液壓系統原理見圖4。系統中工作壓力為小于7 MPa的低壓，選取優選數系中的2 MPa為工作壓力，執行元件為液壓馬達，背壓設置為0.5 MPa，由于開孔裝置設計為定速鏜削，選取液壓馬達為定量馬達，液壓馬達正反轉分別控制進刀和退刀。

3 計算與仿真分析

3.1 刀具設計基本參數

參數選取主要考慮2方面因素：①本系統由于要求減重，工作環境不穩定，因而在刀具設計時優先選取較大主偏角κr，以減小對系統剛度的要求；②在對鋼板整體的鏜削加工中，內外刀頭都要持續斷屑，也需要較大主偏角，因此，選取內外刀主偏角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。

參照已設計的開孔裝置，在相同切削條件(轉速n=17 r/min)下，計算得出各刀頭受力情況見表1。計算可得刀頭位置總轉矩T1=429 N·m，切削功率Pc=0.78 kW[7-8]。

新型液壓驅動開孔裝置的功率損耗主要來自于聯軸器、齒輪組和楔塊與外圈間的摩擦，取聯軸器傳動效率為0.95，齒輪組傳動效率為0.89，楔塊與外圈間傳遞效率為0.90，計算得到液壓馬達輸出轉矩為563 N·m，輸出功率為1.02 kW。

表1 各刀頭受力表 N

3.2 結構強度分析

為了減輕裝置重量，開孔裝置主體結構的內圈和外圈采用輻板狀結構設計，并采用有限元分析軟件Ansys Workbench和網格劃分軟件ICEM對內外圈的結構強度進行有限元分析，以保證開孔裝置的剛度等重要指標的安全性。

對外圈做結構靜力學分析，材料為鑄鐵，網格尺寸為4 mm，采用四面體與六面體混合網格，外圓周支撐面固定，簡化螺栓連接，將轉矩T=563 N·m設置于內圓周上，忽略內徑行星架上的受力。

外圈應變分布見圖5。

圖5 外圈變形分布云圖

由圖5可見，外圈產生應變的位置在中間環形圈處，最大變形為0.002 5 mm，不會產生明顯變形；外圓周變形幅度接近0。Ansys安全因子計算為15，遠大于安全值1，表明這一結構符合使用要求，有較強的結構穩定性。

對內圈做動力學分析，模擬其運動情況。材料為鑄鐵，網格尺寸為4 mm，參照圖1中內圈的結構設置約束，驅動力設置于孔鍵槽處，切削阻力設置于刀架安裝位置，忽略行星齒輪之間的作用力。

圖6為內圈應力云圖，可以看出應力集中位置在輪輻處和刀架安裝位置，等效應力最大值為7.45 MPa，根據第一強度理論，考察鑄鐵許用應力，有限元分析內圈的等效應力遠小于許用應力，分析認為內圈結構強度符合要求。同時，Ansys workbench計算此結構安全因子為15。

圖6 內圈應力云圖

3.3 裝置穩定性分析

開孔裝置開孔過程中，3個永磁體支撐腳主要有2方面作用：①在液壓馬達的轉動力矩作用下保持裝置穩定，避免出現開孔圓周不閉合的情況；②保證開孔裝置在目標鋼板非水平或晃動情況下具有抗傾覆穩定性。

根據SolidWorks仿真計算，開孔裝置重量約為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f為0.35，3個磁吸力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，切削工作時主軸輸出轉矩T=563 N·m，開孔半徑r=230 mm。

3.3.1 扭轉穩定性分析

抗扭轉矩主要由開孔裝置和鋼板間的摩擦力生成，取摩擦力最小即開孔器倒懸于目標鋼板。由式(1)計算得最小抗扭轉矩T2=901 N·m，大于主軸輸出轉矩，表明抗扭轉穩定性較好。

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 抗傾覆穩定性分析

抗傾覆力矩主要由磁力產生，傾覆力主要為重力作用，傾覆支點為吸附面上垂向高度最低的永磁體P1，開孔裝置安裝時，其抗傾覆能力最大為P2、P3以P1所在垂線對稱，簡化模型如圖7所示，計算如下。

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為安裝時船體鋼板與垂直面的角度，∈[0°,90°]。

計算得，在定義域內，當β=0°時，2力矩之差有極小值M1-M2=2 256 N·m>0，表明該開孔裝置有較好的抗傾覆穩定性。

圖7 開孔裝置固定示意

3.4 動力系統仿真與計算

開孔裝置的液壓系統以船舶液壓系統為動力源，省卻液壓泵站的設計與購置，計算液壓系統各零件參數并進行基于AMEsim的系統仿真。

對液壓馬達排量V和最大流量q進行計算。

V=2πT/▽Pηmm

(4)

q=Vnmax/ηmV

(5)

式中：T為馬達輸出轉矩；▽p為液壓馬達進出口壓力差；ηmm為機械效率，取0.9；ηmV為容積效率，取0.8，nmax為主軸最大轉速。

計算得到V=2.6 mL/r，q=55.25 mL/min。

按照圖4液壓原理設計仿真回路，以電機和定量泵模擬船舶液壓動力源，以常量k=1×1030和電磁換向閥簡化替代手動換向閥模型，其他數據參照本文1.4部分，得出液壓馬達進口流量。由圖8可以看出，液壓馬達進口流量在短時間波動后趨于穩定，符合使用要求。

圖8 液壓馬達進口流量

4 結論

1)裝置解決了傾斜狀態下主軸高速旋轉時重心不穩的難題，降低了裝置對高磁吸力的要求。

2)該裝置輕便、易于攜帶、靈活性強、安全系數高、穩定性強，可在海上應急救助領域進行推廣應用，提高人命救助能力，具有潛在的社會效益。

3)下一步需開展水下相關實驗以對裝置的綜合性能進行驗證。

[1] 賈如存.從黃海海域商漁船碰撞險情談海上漁船的管控方法[J].航海技術,2016(6):27-29.

[2] 王祖溫.救助打撈裝備現狀與發展[J].機械工程學報,2013(20):91-100.

[3] 周元波.減搖鰭、減搖水艙在惡劣海況救助中的應用[J].世界海運,2016(2):37-42.

[4] 孫世彬,田勇.船機立體配合技術在海難救助中的應用[J].航海技術,2011(5):28-30.

[5] 周馳.自卸砂船穩性分析及其傾覆后應急施救方案[J].中國航海,2011(3):44-48.

[6] 黃汝輝.鐵質翻扣船的救助[J].世界海運,2013(4):14-17.

[7] 張益方.金屬切削手冊[M].4版.上海科學技術出版社,2011.

[8] 陸劍中，周志明.金屬切削原理與刀具[M].2版.機械工業出版社,2016.

[9] 周黎,高亞東,劉學慧,等.典型液壓零部件防鹽霧設計與試驗研究[J].液壓氣動與密封,2015(8):1-3.

[10] 葉秉良,李麗,俞高紅,等.蔬菜缽苗移栽機取苗臂凸輪機構的設計與試驗[J].農業工程學報,2014(8):21-29.

[11] 鄒福星,李建平,何相逸,等.自走式水體修復植物收獲機設計與試驗[J].農業機械學報,2016(6):1-12.

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

國家科技支撐計劃項目(2014BAB12B06-07)資助

趙世野(1970—)，男，碩士生，高級工程師

研究方向：沉船救助與打撈技術及裝備研發