起艇絞車限速器的設計改進和調整方法

徐麗云，盛偉群，余明德

（1.中船綠洲鎮江船舶輔機有限公司，江蘇鎮江 212000；2.上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

起艇絞車是船舶救生設備中的重要組成部分。由于救生設備涉及到母船上船員或乘客的人命安全，因此，起艇絞車設計、制造和驗收受到《國際海上人命安全公約（SOLAS）》[1]及《國際救生設備規則（LSA）》的嚴格約束，對設備安全性能的要求極高。限速器作為起艇絞車的核心部件，其性能直接決定了起艇絞車的安全性能。《國際救生設備規則（LSA）》第VI章“降落與登乘設備”6.1.2.8明確規定[2]，滿載救生艇筏或救助艇降落下水的速度，應不小于由式（1）得出的速度。

式中：S為下降速度，m/s；H為從吊艇架頂部到輕載航行水線的距離，m。

同時6.1.2.9規定：“配備全部屬具但不載人員救生筏的降落速度應使主管機關滿意。配備全部屬具但不載人員的其他救生艇筏的降落速度應不少于6.1.2.8要求的70%。”

本文主要闡述常用的離心式限速器的工作原理、下放速度的計算、實際限速器改進后的設計及后續實際限定速度的調整方法，為相關設計、生產單位滿足《國際救生設備規則（LSA）》要求提供參考。

1 離心式限速器的工作原理

離心式限速器結構組成見圖1。

圖1 限速器的結構圖

其工作原理為：限速器殼體1固定不動，當艇/筏下放時轉軸5隨即帶動連桿2旋轉。摩擦材料3裝在限速塊7上，并通過銷軸6與連桿2相聯，彈簧4裝在兩限速塊上。轉動時因限速塊7質心（質量m）產生的離心力Fm使得摩擦材料3貼合限速器殼體1產生摩擦力F。摩擦力F所產生的摩擦力矩與外負載力矩達到平衡時，轉軸5勻速轉動，限速塊7可繞銷軸6自由轉動，從而保證起艇絞車在下放艇/筏過程中的平穩性。

2 下放速度計算

由于從開始下放到達到平衡狀態時間很短（可忽略），銷軸5與連桿2可看作瞬時達到平衡而沒有相對運動。因此，可忽略銷軸5處的摩擦力矩。

下放達到平衡時，在外力矩（限速軸）T作用下，每個限速塊所需的徑向正壓力應滿足[3]：

式中：Z為限速塊數量，見圖1中件7；R為摩擦半徑，mm；μ為摩擦系數。

當力矩達到平衡時，各力也達到平衡狀態。將限速塊7、連桿2和摩擦材料3作為一個整體進行受力分析，以銷軸6軸線為轉心，力矩和為零，則：

式中：Fm、FS、FN、Ff分別為離心力、彈簧力、正壓力、摩擦力，N；Lm、LS、LN、Lf分別為離心力、彈簧力、正壓力、摩擦力至轉心的力臂，mm。

故有效離心力為

已知質心質量m及旋轉半徑Rm，假定轉軸5的旋轉速度為n，質量m的實際離心力為

由上述推理可知，假定T、R、Z、Rm為定值，轉速的平方（n2）隨FS·LS增大而增大，隨m增大而減小。

同時，為保證限速器在動力起升時不消耗能量，需保證摩擦材料3與限速器殼體1在動力起升時不接觸，故FN=0，Ff=0

已知動力起升時的轉速為n0，則：

3 限速器改進后的設計及后續限定速度的調整方法

結合離心式限速器設計經驗及結構特點，可以通過以下幾種改進設計來調整下放速度，從而達到預期的限速的效果，以滿足規范要求。

1）通過改變轉心的位置來調整下放速度

如圖2所示，假定轉心所處半徑為r，與水平所處夾角為θ，則：

圖2 轉心位置對限定速度的影響

以DP220S救生艇絞車為例：

外力矩T=820 N·m；摩擦半徑R=175 mm；重心半徑Rm=100.3 mm；摩擦系數取值μ=0.35；限速塊數量Z=4；單個限速塊的質量m=6.1 kg；彈簧力Fs=850 N；調整之前，轉心位置角度θ=57°；彈簧位置角度β=37°；限速塊重心位置角度γ=60.4°；轉心所處半徑r=138 mm；則根據式（10），n2=7 976 262，n=2 824.2 r/min。

通過改變轉心位置角度θ，當θ角度減少5°時，根據式（11），速度下降33.35%。

通常，為了簡化計算，在實際設計過程中，可直接利用EXCEL工具，編定好如上所述的相關公式，直接輸入θ值，通過調整就可計算得出合適的下放速度，由此預設好2個不同的轉心位置，見圖2。由此可見，通過改變轉心的位置的機構改進可以改變起艇絞車的下放速度，從而滿足國際救生設備規則（LSA）和救生設備試驗（MSC.81（70））[4]中對起艇絞車在輕載和滿載情況下救生艇筏或救助艇降落下水的速度的要求。

2）通過調整彈簧的壓縮行程來調整下放速度

由于彈簧力的大小直接影響下放時速度，可以通過調整彈簧的壓縮行程改變彈簧力的大小來改變下放速度。即在原彈簧位置增加調整螺釘和墊片。見圖2中的放大視圖I。

以DP220S救生艇絞車為例，原設計時的彈簧總行程（總壓縮量）ΔL為7.5 mm，彈簧的剛度K（N/mm）根據式（12），為113.3

通過改變轉心壓縮彈簧的行程，當彈簧壓縮量減少3 mm時，根據式（13），速度下降了8.4%。

3）通過改變相關件的重量或材料來調整下放速度

由于限速塊7、連桿2和摩擦材料3的整體質量與下放速度相關，可以在連桿結構上增加減輕孔或鉚接重塊。

另外還可以改變限速塊的材料屬性來改變下放速度。

以DP220S救生艇絞車為例，原限速塊材料為Q235B，ρ1為7.85 kg/cm3，當限速塊材料修改為鑄銅時，銅的密度ρ2為8.9 kg/cm3，根據式（14），絞車的重力下放速度下降6.08%。

4）通過改變限速塊的安裝方向來調整下放速度

由于摩擦力方向對重力下放速度有較大影響，因此可以通過改變限速塊的安裝方向來實現調整，見圖3。

圖3 限速塊安裝方向調整

此時：

通過此方法，根據式（16），原來的重力下放速度下降了17.3%。

4 結論

通過研究分析離心式限速器的工作原理及結構，較為全面地介紹了起艇絞車的核心部件限速器，并且對其改進設計原理和調整方法進行了詳細闡述，通過調整轉心的位置、調整彈簧的壓縮行程、改變相關件的重量或材料和改變限速塊的安裝方向4種方式來達到降低起艇絞車重力下放速度的目的。其中，調整轉心位置對改變下放速度的效果最佳，改變限速塊的安裝方向次之，改變相關件的重量或材料對改變下放速度的效果最小。

因此在后續設計應用中，可根據實際情況選擇相應的調整方法來調整起艇絞車的重力下放速度，從而滿足《國際救生設備規則（LSA）》第VI章“降落與登乘設備”6.1.2.8以及6.1.2.9所規定的速度要求。