側(cè)移式艙口蓋頂升不同步原因分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)

張維傳

（南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇南通，226005）

0 引言

隨著散貨船的大型化發(fā)展，貨艙艙口越來(lái)越大，艙口蓋的尺寸和重量也越來(lái)越大。大型散貨船上一般使用側(cè)移式艙口蓋居多。側(cè)移式艙口蓋一般分為單片式和雙片式，單片式艙口蓋四周能承重到艙口圍上，蓋板一般為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，頂升滾輪處承受的重量平均，蓋板頂升同步；而雙片式艙口蓋，由于艙口蓋結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，頂升滾輪處承受的重量不均勻，蓋板頂升的同步性差，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致開(kāi)艙困難，蓋板磨損嚴(yán)重。因此，側(cè)移式艙口蓋頂升同步性越來(lái)越受到重視。本文分析了某大型散貨船雙片側(cè)移式艙口蓋頂升不同步的現(xiàn)象以及引起的問(wèn)題，提出設(shè)計(jì)改進(jìn)措施。

1 側(cè)移式艙口蓋

1.1 艙口蓋結(jié)構(gòu)

側(cè)移式艙口蓋，顧名思義，即平移打開(kāi)的艙口蓋。可為單片蓋板，也可為雙片蓋板。側(cè)移式艙口蓋蓋板一般設(shè)計(jì)為開(kāi)式結(jié)構(gòu)，由梁和板組成，其主要構(gòu)件為頂板、端板、側(cè)板、縱梁、橫梁及扶強(qiáng)材等[1]。對(duì)于單片式艙口蓋，蓋板四周均能擱置到艙口圍面板上，因此可為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。而對(duì)于雙片式艙口蓋，蓋板首尾兩端及外側(cè)擱置在艙口圍面板上，支撐點(diǎn)位于縱梁兩端以及橫梁的一端，蓋板內(nèi)側(cè)則懸空在貨艙中間，因此結(jié)構(gòu)無(wú)法對(duì)稱。側(cè)移式艙口蓋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既不需翻轉(zhuǎn)，也不需折疊，操作保養(yǎng)方便，但打開(kāi)時(shí)需要較大的存放空間，多用于大型散貨船上。

1.2 驅(qū)動(dòng)方式

側(cè)移式艙口蓋和單片式艙口蓋的蓋板可向單側(cè)移動(dòng)，也可向兩側(cè)移動(dòng)。雙片式艙口蓋可分別向兩側(cè)移動(dòng)。艙口蓋的橫移動(dòng)作可通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鏈輪鏈條傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩片艙口蓋之間可設(shè)置同步鏈條，或者同步鋼絲繩，也可分別在每片蓋板上都設(shè)置齒輪齒條傳動(dòng)。對(duì)于液壓式鏈條傳動(dòng)的側(cè)移式艙口蓋，一般通過(guò)液壓油缸實(shí)現(xiàn)頂升和通過(guò)液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)橫移。在每片蓋板首尾側(cè)滾輪關(guān)閉位置下方設(shè)置兩個(gè)液壓油缸，在舷側(cè)設(shè)置一個(gè)橫移用的液壓馬達(dá)。頂升和橫移在液壓系統(tǒng)中為并聯(lián)回路，來(lái)自液壓泵站的液壓油通過(guò)操縱控制閥站進(jìn)行分流，先操縱油缸將艙口蓋滾輪頂起至導(dǎo)軌上表面，再操縱液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鏈條控制艙口蓋橫移。一般設(shè)計(jì)上，控制閥站的操縱閥組處都設(shè)置可調(diào)式節(jié)流閥分別調(diào)節(jié)頂升和橫移的速度，液壓馬達(dá)上設(shè)有旁通閥和溢流閥，確保蓋板橫移動(dòng)作平穩(wěn)，并能在任意位置鎖定[2]。

2 艙口蓋頂升不同步現(xiàn)象

2.1 現(xiàn)象描述

某新投入營(yíng)運(yùn)不久的大型散貨船上采用雙片側(cè)移式艙口蓋，液壓驅(qū)動(dòng)，單片艙口蓋設(shè)置4個(gè)油缸，整艙設(shè)置橫移馬達(dá)1個(gè)，使用鏈輪鏈條傳動(dòng)。在艙口蓋開(kāi)啟過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)頂升不同步現(xiàn)象趨于嚴(yán)重。有時(shí)靠外側(cè)的油缸先頂升到大約一半位置，靠中間的油缸才開(kāi)始動(dòng)作，因此導(dǎo)致兩片艙口蓋出現(xiàn)頂升不同步。蓋板兩側(cè)先被抬起，中間部分形成相對(duì)下沉擠壓，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)一次操作完成開(kāi)艙動(dòng)作。由于雙片式艙口蓋對(duì)接中縫處有保持風(fēng)雨密性的橡皮條，還有上下限位結(jié)構(gòu)，打開(kāi)時(shí)需兩片艙口蓋同時(shí)頂升，否則會(huì)出現(xiàn)艙口蓋接縫處結(jié)構(gòu)受到擠壓而損壞。此處可以看出艙口蓋的同步頂升非常重要。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查，艙口蓋活動(dòng)件接觸部位均已加足潤(rùn)滑油，也確認(rèn)油缸處液壓系統(tǒng)油已排氣干凈[3]，但反復(fù)操作幾次開(kāi)艙動(dòng)作仍發(fā)現(xiàn)艙口蓋頂升不同步。進(jìn)而繼續(xù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，頂升兩片艙口蓋的8個(gè)油缸規(guī)格相同，液壓回路并聯(lián)，進(jìn)油主管分8個(gè)支管到每個(gè)油缸處，因此在操縱閥組處設(shè)置的節(jié)流閥無(wú)法同時(shí)調(diào)節(jié)8個(gè)油缸的頂升速度同步。

2.2 原因分析

2.2.1 艙口蓋結(jié)構(gòu)分析

本船艙口蓋蓋板結(jié)構(gòu)，三邊能支撐到艙口圍上，剩下靠近艙中縫處的這邊由于中部懸空無(wú)法設(shè)置承重點(diǎn)，通過(guò)設(shè)置大梁結(jié)構(gòu)來(lái)承重，再考慮艙口蓋頂面排積水，中間高，兩側(cè)低，如圖1所示。受此結(jié)構(gòu)所限，艙口蓋重量分布不均，中間較重，兩側(cè)較輕。艙口蓋頂升裝置設(shè)置在滾輪下方，單片蓋板的4個(gè)滾輪受力不同， 而每塊蓋板由4個(gè)同樣規(guī)格的油缸頂升，這勢(shì)必導(dǎo)致作用在兩側(cè)較輕蓋板部分的油缸先動(dòng)作，靠中的油缸后動(dòng)作，這樣頂升動(dòng)作不同步會(huì)使得兩片蓋板接縫處特別是中部橫向止動(dòng)限位塊處出現(xiàn)嚴(yán)重的擠壓現(xiàn)象。

圖1 雙片側(cè)移式艙口蓋前視圖

如圖2所示，艙口蓋對(duì)接中縫處有密封橡皮條和上下限位塊。如果蓋板1和蓋板2向中向下旋轉(zhuǎn)下沉擠壓，橡皮容易因?yàn)樵趬嚎s狀態(tài)摩擦滑移而損壞，蓋板頂部邊緣和限位板也容易發(fā)生擠壓變形損壞。再如圖3所示，蓋板1和蓋板2向中向下旋轉(zhuǎn)擠壓，艙口蓋上的限位結(jié)構(gòu)和艙口圍上的橫向止動(dòng)限位塊會(huì)先擠壓吃緊，摩擦力增大，然后繼續(xù)擠壓直至彈起，此時(shí)的非正常受力很大，對(duì)止動(dòng)塊的磨損相當(dāng)嚴(yán)重。不同步現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，此處還可能會(huì)卡死而導(dǎo)致艙口蓋無(wú)法正常一次頂起，需不停重復(fù)先頂升一點(diǎn)，再下降一點(diǎn)，才能勉強(qiáng)頂起。這對(duì)操作人員的人身安全和船舶碼頭停留周期都影響很大。

圖2 雙片艙口蓋中縫處密封結(jié)構(gòu)

圖3 雙片艙口蓋中縫處止動(dòng)結(jié)構(gòu)

2.2.2 液壓系統(tǒng)分析

通過(guò)圖4可以看出，液壓油從大口徑主管路進(jìn)到8個(gè)油缸幾乎是同時(shí)的，而由于開(kāi)艙動(dòng)作相對(duì)較慢，幾乎不存在因局部流量過(guò)大引起補(bǔ)油有先后而導(dǎo)致頂升不同步的現(xiàn)象。新?tīng)I(yíng)運(yùn)的船液壓系統(tǒng)清潔度也不會(huì)有太大問(wèn)題。因此判斷導(dǎo)致不同步的原因主要還是因?yàn)樵谕瑯拥捻斏ψ饔孟拢^輕的蓋板一端被先頂起來(lái)。而這種結(jié)構(gòu)重量分布不均導(dǎo)致頂升力不同的問(wèn)題，很難再通過(guò)均分結(jié)構(gòu)重量來(lái)解決。因此，要想兩片艙口蓋頂升同步，只能通過(guò)頂升動(dòng)力方面調(diào)整實(shí)現(xiàn)。

圖4 改進(jìn)前的液壓頂升系統(tǒng)

2.3 同步頂升設(shè)計(jì)改進(jìn)

再進(jìn)一步分析液壓系統(tǒng)中的頂升模塊，要想實(shí)現(xiàn)頂升同步，需設(shè)計(jì)液壓同步回路。所謂液壓同步回路，指有兩個(gè)或多個(gè)液壓執(zhí)行元件的液壓系統(tǒng)中，要求執(zhí)行單元件以相同的位移或相同的速度（或固定的速度比）同步運(yùn)行。

目前液壓驅(qū)動(dòng)的同步系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，但主要是由開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種基本形式構(gòu)成[4]。多缸同步運(yùn)動(dòng)是液壓技術(shù)中的一大難題，液壓缸數(shù)目越多，同步難度越大。受著執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載不均勻、摩擦、泄漏、制造精度等影響，也受到液壓系統(tǒng)合理性及元件質(zhì)量和可控性影響，同步過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程[5-6]。為了彌補(bǔ)這些流量上造成的變化，應(yīng)采取必要的措施。常用的高精度方法例如設(shè)置基于PLC閉環(huán)控制的液壓同步回路，它通過(guò)設(shè)置反饋單元采取油缸位置信號(hào)，傳遞給CPU，再通過(guò)信號(hào)處理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，輸出油缸的動(dòng)作信號(hào)控制各個(gè)油缸動(dòng)作，輸出報(bào)警及判斷等，能全自動(dòng)完成同步頂升[7-9]。或者利用偏差耦合控制策略，對(duì)活塞位移量的差值進(jìn)行調(diào)節(jié)和擾動(dòng)補(bǔ)償[10]。再者利用一種基于拉繩式位移傳感器配合比例伺服閥的數(shù)字式閉環(huán)控制方案來(lái)實(shí)現(xiàn)多缸同步升降[11]。但是，對(duì)于艙蓋這種同步精度要求不高的設(shè)備，以上系統(tǒng)過(guò)于繁雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)成本過(guò)高，不可取。此處主要考慮改進(jìn)現(xiàn)有的開(kāi)環(huán)控制回路，比如通過(guò)閥控同步回路實(shí)現(xiàn)[12]。對(duì)于本船艙蓋液壓系統(tǒng)，主要考慮可以通過(guò)3個(gè)方面加以改進(jìn)。

1）內(nèi)外側(cè)使用不同規(guī)格的頂升油缸

即靠中側(cè)的油缸加大規(guī)格，使其頂升力比靠舷側(cè)油缸的頂升力大，以此來(lái)調(diào)整8個(gè)油缸頂升同步。當(dāng)然，此方法需詳細(xì)計(jì)算艙口蓋的重量分布及每個(gè)滾輪的受力，根據(jù)具體受力計(jì)算定制合適截面積的液壓油缸。此法雖能解決頂升不同步的問(wèn)題，但需定制非標(biāo)規(guī)格的油缸，成本較高。

2）油缸進(jìn)油口處追加可調(diào)節(jié)流閥

此方法可以通過(guò)節(jié)流閥在艙口蓋啟閉過(guò)程中反復(fù)調(diào)整各油缸的進(jìn)油流量，直到兩片艙口蓋頂升趨于同步為止。此方法在設(shè)計(jì)之初無(wú)需上述第1種方法那樣精確計(jì)算，而是在安裝后期隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，方便可靠。雖增加了節(jié)流閥部件，引起采購(gòu)和維護(hù)成本稍有上升，但能解決艙口蓋頂升不同步的問(wèn)題。

3）油缸進(jìn)油口處使用非可調(diào)節(jié)流設(shè)計(jì)

如進(jìn)油口徑變小。此方法需計(jì)算液壓系統(tǒng)壓力損失和流量，變徑值的選取對(duì)節(jié)流速度的影響也需精確計(jì)算。可將所有油缸進(jìn)油口統(tǒng)一變小直徑，雖不能完全同步，卻也能減緩不同步的程度，能達(dá)到使用要求。此法產(chǎn)生的成本最小。

此處優(yōu)先考慮通過(guò)節(jié)流措施實(shí)現(xiàn)同步回路。改進(jìn)后的液壓頂升系統(tǒng)圖見(jiàn)圖5。

圖5 改進(jìn)后的液壓頂升系統(tǒng)

以上3個(gè)方法，對(duì)艙口蓋前期的設(shè)計(jì)和后期的維護(hù)都有不同影響，可權(quán)衡后選擇。如果對(duì)同步要求不那么高，推薦使用方法3。如果對(duì)同步要求稍高，可選擇方法1和方法2。當(dāng)然，船舶在不同縱傾橫傾狀態(tài)下，艙口蓋的重心有所改變，每次開(kāi)艙的同步性也是不可能完全一樣，但相差不會(huì)太大。

通過(guò)以上分析，如果雙片艙口蓋能同步頂升，那么中縫處的壓緊條和橡皮則能順利分離，不產(chǎn)生摩擦，而限位塊也能在正常位置落位和分離，這樣，整個(gè)開(kāi)關(guān)艙過(guò)程中動(dòng)作順利平穩(wěn)，安全可靠，還將大大增加的橡皮和限位塊等結(jié)構(gòu)部件的使用壽命。同時(shí)順利地開(kāi)關(guān)艙蓋，節(jié)省碼頭操作工時(shí)，進(jìn)而為船東節(jié)省了成本，帶來(lái)利益。由此可見(jiàn)，雙片艙口蓋頂升的同步性非常重要，而上述同步頂升的改進(jìn)措施也顯得非常有意義。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)雙片側(cè)移式艙口蓋結(jié)構(gòu)、液壓回路和實(shí)際使用情況綜合分析，有如下結(jié)論：

1）雙片側(cè)移式艙口蓋蓋板頂升必須達(dá)到行程基本同步；

2）可通過(guò)使用不同規(guī)格油缸達(dá)到上述目的，也可通過(guò)節(jié)流措施減緩不同步現(xiàn)象的出現(xiàn)；

3）艙口蓋需定期對(duì)活動(dòng)件潤(rùn)滑保養(yǎng)，定期對(duì)液壓系統(tǒng)清洗保養(yǎng)和放氣；

4）改進(jìn)措施對(duì)大型艙口蓋更有實(shí)用價(jià)值，技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理，具有推廣意義。

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