一種大口徑遠程軟管自動敷設集成模塊的設計

薛 濤，李 臣，馬遠洋，彭 沛

（湖北三六一一應急裝備有限公司，湖北 武漢430090）

軟管自動敷設裝置受軟管口徑、軟管距離限制，一般采取整車式設計。整車式設計通常基于重載、長軸距專用底盤來實現大口徑（DN≥300mm）、遠程（L≥2000m）軟管的自動敷設功能，整車較長（L≥11000mm）、整備質量較重（m≥28000kg）。整車式設計受限于底盤機動性、整備質量以及整長，較難適應復雜地域的應急保障；整車式一車一用，功能無法拓展，處置解決突發地質災害時，受塌方、塌陷、泥石流、落石等次生災害的影響，其無法勝任遂行作戰任務樣式的多變，問題處置時效性較差；同時底盤發生故障會造成整套裝備趴窩，直接導致任務嚴重受阻。

國內外另一種軟管自動敷設裝備采取“專用軟管自動敷設運輸車+可裝卸式軟管存儲箱”設計，其局限為：設計主要面向小口徑（DN≤150mm）或短距離（L≤1000m）軟管自動敷設提供解決方案；自動敷設裝置占用整車前部空間，造成運輸底盤適應系列功能模塊的通用性、標準化程度降低，裝備功能拓展難度增大。

基于上述分析，研究一種大口徑遠程軟管自動敷設集成模塊補充完善應急裝備體系尤為重要。本設計為系列裝備的軍用、應急戰略物資戰儲保障、應急快速反應、解決遂行多樣性任務提供了新思路。

1 模塊結構

模塊借鑒標準方艙設計，集裝箱采用整體式鋼結構焊接制造，內置軟管自動敷設裝置、控制系統、柴油機、液壓系統，可滿足2000m軟管儲存、敷設。

集裝箱骨架選用不同規格冷拔無縫鋼管，并做好防銹處理，保證箱體總成強度、剛度及耐腐蝕。集裝箱四角設置標準角件，可滿足集裝箱碼垛、鎖緊、吊裝。

集裝箱前部下方為工作艙，其內安裝有柴油機、液壓系統、控制系統、配套工具、照明燈等。柴油機為本模塊動力來源，其直接驅動液壓泵根據工況輸出具備一定壓力、流量的工作介質，保障軟管自動敷設裝置實現各功能。液壓系統設計在滿足系統用油、充分散熱的前提下，選用小型油箱并在油路上設有強制風冷；油路采用軟管+硬管式走線，使油路緊湊、美觀，并為安裝、維保節省寶貴的空間。控制系統集成了柴油機轉速控制與軟管自動敷設裝置操縱控制兩部分，可實現調控柴油機轉速、軟管自動敷設裝置各動作、系統冷卻、報警顯示、急停、照明等功能。控制方式設有遙控操作與應急手柄控制，正常情況下采用遙控操作，當遙控功能失效時可通過應急手柄控制。工作艙內還安裝有電瓶箱、配套工具等。

集裝箱后部為軟管儲存箱，可收儲存放2000m軟管。整機結構布置見圖1。

圖1 整機結構布置圖

2 模塊功能

模塊可實現軟管自動敷設裝置“舉升/下降”“旋出/旋入”“閉/開輥”“低速/中速/高速收卷”等一整套動作，可完成大口徑（DN≥300mm）、遠距離（L≥2000m）軟管的自動敷設回收。

3 模塊原理

3.1 液壓設計

分析模塊多種工況可知：系統連續運轉時間≤3h，系統壓力Pmax=18MPa，設定三檔軟管收卷速度對應通過流量q1=15L/min、q2=30L/min、q3=45L/min。

3.1.1 液壓泵選型

系統選用定量泵。考慮系統泄露系數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為執行機構最大流量；ηv為液壓泵容積效率，取值0.93；nm為液壓泵轉速，初選nm=1800r/min。

液壓泵的工作壓力由負載的性質決定，系統液壓泵額定壓力PN=Pb+ΣΔp=18+1=19MPa。

本系統Pb=Pmax=18MPa，系統壓力損失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，額定轉速n=2500r/min。

3.1.2 柴油機設計選型

分析裝備工況，計算柴油機功率、扭矩，充分對比國內知名品牌發動機參數及特性曲線最終選取某款柴油發動機。發動機轉速n=1300r/min～2000r/min時，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，且轉速為經濟轉速。為了改善柴油機冷卻動性能，柴油機增加了啟動預熱裝置。柴油機相關參數見表1。

表1

3.1.3 液壓回路設計

裝備液壓系統原理圖見圖2。分析可知，在旋轉回路中采用雙液控單向閥構成鎖緊回路，通過3#三位四通電磁閥工作位置的切換，可完成旋轉液壓缸的旋出、旋回和鎖緊三種工作狀態；在舉升回路中，采用外控式平衡閥設計，外控平衡閥的啟、閉取決于控制油口油壓的高低，與平衡閥的進口壓力無關。通過設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生事故和氣穴現象。旋轉油路和舉升油路均采用節流調速調節油缸速度，其結構簡單，成本較低，維護使用簡單。系統采用定量泵節流調速回路，為力求減少溢流損失，采用卸荷回路，具體為采用M型中位機能的三位四通電磁閥，可實現動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 散熱設計

液壓系統工作中的各種壓力損失、容積損失和機械損失組成系統總的能量損失，其中絕大部分變為熱能，導致液壓油溫升高。液壓系統工作時油液溫度一般應控制在15℃～70℃范圍內，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對系統的正常工作產生不良影響。液壓油溫度過高，會造成：（1）石油基油液在溫度過高時易產生膠狀物質，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效率會降低；（3）引起熱脹系數不同的運動之間間隙變化，正常的配合間隙遭到破壞，導致液壓閥閥芯容易卡死，同時由于潤滑油膜變薄，機械磨損增加；（4）加速密封件老化變質，壽命縮短，甚至喪失密封性；（5）油液氣化，水分蒸發，形成氣穴。因此系統溫升幅度大于液壓元件及系統承受范圍，應設計強制冷卻措施來保證液壓系統整體性能的可靠和穩定。

油箱的主要功能是儲存液壓系統工作介質，散發系統部分熱量、促進油液中空氣分離及消除泡沫等，是液壓系統的重要部件。油箱內部設置隔板，將油箱吸油區與排油區隔開，一方面增強了油箱強度，另一方面增加排油區至吸油區的油液路徑長度，改善了循環油液冷卻與雜質沉積。

本系統油箱容積小，散熱慢，設計采取強制風冷措施。風冷式冷卻安裝成本低、維修方便，不會對液壓系統造成損害。

系統總效率η=ηbηAηc=0.8096×0.85×0.66＝0.6；

系統發熱功率H＝P（1-η）＝7.6kW；

系統需要的比散熱量qreq=H/（Toil-Tair）=0.19kW/℃，式中：a-經驗系數，系統取值為4；Qv-液壓泵每分鐘排出液壓油的容積，l；η-系統總效率；ηb-液壓泵效率；ηA-執行機構總效率；ηc-系統回路效率；P-系統驅動功率（W）；Toil-允許油液最高溫度；Tair-油液環境溫度。

選擇DET2-2/DC24V型風冷器，其實際比散熱量q=0.275kW/℃，設計加裝旁通閥，當回路阻力大于旁通閥開啟壓力時，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。

冷卻器實際散熱量Q=q（Toil-Tair）=10.8kW。

冷卻器進出口油溫差計算：ΔToil=（33×10.8）/27=13.2℃，系統液壓冷卻符合要求。經實際多次撤收軟管作業，液壓油溫均在正常范圍內，驗證了該散熱設計是合理的。

3.2 控制設計

模塊工作時經常需要在“低速/中速/高速收卷”三種模式下切換，為簡化操作流程，提升裝備控制集成，同時考慮安全，將軟管自動敷設裝置操縱與柴油機油門調節進行了遙控同步集成。柴油機轉速設為三擋：低速檔（n1=1500r/min）、中速檔（n2=1700r/min）、高速檔（n3=2000r/min）。低速檔進行“舉升/下降”“旋出/旋入”“低速收卷”；中速檔進行“中速收卷”；高速檔進行“高速收卷”。其中柴油機的低速檔轉速設置，兼顧了該狀態下系統用油量、柴油機經濟轉速、寒冷季節柴油機方便啟動等多方因素考量。

為滿足惡劣工況下控制系統穩定運行的需求，控制系統核心采用特種車輛專用可編程控制器（簡稱PLC），其防護等級達到IP65級。其控制模式為現場I/O邏輯控制和CAN總線控制相結合。檢測元件由光電傳感器、限位開關、接近開關等組成，執行元件由繼電器、電磁閥、聲光設備、發動機調速器等組成。根據外部輸入的操作指令，系統按照PLC內部存儲的控制程序自動對相關部件執行控制，自動完成相關工藝流程要求的操作。其中PLC采用CAN總線對柴油發動機進行通訊和控制，CAN總線采用的是SAE（美國汽車工程協會）推薦標準J1939通訊協議，通訊速率達到250kbps。

3.3 結構設計

裝備除了具備良好的液壓系統設計、控制設計外，結構設計也至關重要。模塊在滿足強度、剛度前提下，充分進行輕量化設計，同時考慮優化人機性能。

液壓系統設計結合大箱結構設計考慮操作保養的便利，風冷器進出風通道保持通暢，做好防水滲漏；柴油機三濾、機油排污口、油箱清洗口處結構設計方便維保；柴油箱設計保證模塊在裝卸過程中油液不會滲漏；尾氣管排出位置應考慮操作安全；電瓶箱設計應考慮方便取放電池、防水設計；控制系統設計保證了模塊裝車后操作便利。水帶儲存大箱內部結構考慮不會剮蹭水帶、安全操作。

4 模塊參數

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

5 運輸方案

模塊面向系列化、標準化機動運輸平臺研發，通常選用自裝卸運輸車作為標準平臺，根據需要匹配不同性能、參數的自裝卸運輸車，實現了功能上裝的模塊化，同時也促進自裝卸運輸車的標準化、系列化，拓展了列裝自裝卸運輸車的功能。此外，模塊還可配套框架式吊具，通過轉鎖與集裝箱頂部的角件進行連接，框架上部設置吊環與吊車鉤連接，廣泛運用于各碼頭，實現海運。

6 結束語

模塊設計的初衷是借鑒標準化集裝箱設計，依托系列自裝卸車、平板車等完成不同地域地形作業。獨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。

本模塊利用先進的技術成果，動力匹配合理、液電控制齊全、尺寸緊湊，裝備系列兼容性較強，可以有效提升系列裝備的保障技術水平，提高裝備可靠性和綜合保障效能，實現了“儲運集裝化、籌措單元化、裝卸機械化、使用模塊化”。