郭子豪，陳笑微，嚴(yán) 力，王金濤

（沈陽(yáng)橡膠研究設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110021）

隨著海上運(yùn)輸對(duì)運(yùn)力要求的不斷提高，棧橋（海上浮橋）經(jīng)常作為由船到岸的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑以承擔(dān)人員、車輛和物資的運(yùn)輸[1-3]，然而其在實(shí)際使用中受制于海上環(huán)境的影響，其運(yùn)力時(shí)常不足。針對(duì)于此，橡膠氣囊（簡(jiǎn)稱氣囊）經(jīng)常作為棧橋的水下助浮裝置用于應(yīng)急和救援[4]。

沈陽(yáng)橡膠研究設(shè)計(jì)院有限公司近期開發(fā)了一種新型棧橋氣囊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了氣囊與浮橋鋼結(jié)構(gòu)的成功匹配，提高了棧橋的運(yùn)力。

棧橋氣囊系統(tǒng)除氣囊外，還包括液壓式充氣系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。本文重點(diǎn)介紹棧橋氣囊充氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 棧橋氣囊系統(tǒng)的工作原理及其充氣系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

1.1 棧橋氣囊系統(tǒng)的工作原理

氣囊安裝在橋棧邊橋節(jié)邊箱的外側(cè)和底部的凹槽內(nèi)，以提供浮力和支撐。充氣系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)安裝在橋棧邊橋節(jié)邊箱的內(nèi)部，用于自動(dòng)控制氣囊的充氣與抽氣。

1.2 充氣系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

針對(duì)棧橋由船到岸的轉(zhuǎn)運(yùn)功能，需對(duì)氣囊快速充氣，使之能夠快速響應(yīng)以完成運(yùn)輸部署。因此，棧橋氣囊的充氣系統(tǒng)需滿足充氣速度快（整套裝備的充氣時(shí)間不長(zhǎng)于8 min）、浮態(tài)穩(wěn)定性好（在20 kPa的工作壓力下保壓時(shí)間不短于2 h，當(dāng)壓力降達(dá)到10%工作壓力時(shí)須實(shí)現(xiàn)補(bǔ)氣）、展開與回收功能匹配（充氣裝置可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)氣囊的充氣展開與抽氣回收）等要求。

2 棧橋氣囊充氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

2.1 充氣原理

根據(jù)棧橋氣囊系統(tǒng)的工作原理及充氣系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，橋節(jié)只能供應(yīng)24 V電壓，無(wú)法對(duì)電動(dòng)機(jī)、往復(fù)式空氣壓縮機(jī)等高電壓設(shè)備進(jìn)行供電。根據(jù)充氣時(shí)間不長(zhǎng)于8 min的要求，需要選用出風(fēng)量較大的鼓風(fēng)設(shè)備對(duì)氣囊充氣，且鼓風(fēng)設(shè)備的風(fēng)壓應(yīng)略高于氣囊的使用氣壓[5]，因此本設(shè)計(jì)鼓風(fēng)設(shè)備選用大風(fēng)量的軸流風(fēng)扇。

針對(duì)海上特殊的運(yùn)輸環(huán)境，棧橋單元使用液壓方式進(jìn)行展開和回收，設(shè)備無(wú)法使用大功率電器，而液壓馬達(dá)在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中使用廣泛，其輸出扭矩平穩(wěn)，可靠性高[6-7]，因此本設(shè)計(jì)選用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)風(fēng)泵旋轉(zhuǎn)。棧橋氣囊分為底氣囊和側(cè)氣囊2種，囊體均采用由常態(tài)氣囊（外層氣囊）和應(yīng)急氣囊組成的雙層結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速充放氣，外層氣囊設(shè)置2個(gè)充氣口，應(yīng)急氣囊設(shè)置1個(gè)充氣口，底氣囊和側(cè)氣囊均有3個(gè)充氣口。

針對(duì)上述工況，充氣系統(tǒng)采用總-分的方式，即采用1條主管路和6條分管路系統(tǒng)對(duì)底氣囊和側(cè)氣囊同時(shí)供氣。每個(gè)充氣口使用橡膠軟管與管路相連，每個(gè)充氣口支路上設(shè)置一個(gè)電磁球閥，充放氣時(shí)開啟，氣密時(shí)閉合。管路根據(jù)橋節(jié)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)造放置。

單橋節(jié)邊箱氣囊的充氣原理如圖1所示。

圖1 單橋節(jié)邊箱氣囊的充氣原理Fig.1 Inflation principle of single bridge side box airbag

2.2 設(shè)備參數(shù)的計(jì)算

2.2.1 風(fēng)泵參數(shù)

棧橋氣囊的底氣囊安裝于橋節(jié)鋼結(jié)構(gòu)底部，側(cè)氣囊安裝于橋節(jié)鋼結(jié)構(gòu)側(cè)面。為實(shí)現(xiàn)棧橋結(jié)構(gòu)在水面的穩(wěn)定性，根據(jù)其承載力及浮態(tài)穩(wěn)定性等的計(jì)算，本設(shè)計(jì)底氣囊容積為4.06 m3，側(cè)氣囊容積為5.47 m3。在使用過程中，氣囊內(nèi)部氣壓需達(dá)到20 kPa。根據(jù)氣壓公式[8-9]：

式中，P1和V1分別為氣囊充滿氣體時(shí)的氣壓和體積，P2和V2分別為氣囊達(dá)到工作壓力的氣壓和還需充入氣體的體積。

因此，單橋節(jié)邊箱氣囊充氣8 min所需的氣量為11.436 m3，即選用風(fēng)泵的排氣量至少為1.43 m3·min-1，且風(fēng)泵鼓風(fēng)氣壓需大于氣囊工作氣壓（20 kPa）。

經(jīng)計(jì)算，本設(shè)計(jì)選用風(fēng)泵的正常額定轉(zhuǎn)速（簡(jiǎn)稱風(fēng)泵轉(zhuǎn)速）為3 000 r·min-1，功率為3 kW，流量為230 m3·h-1。

2.2.2 液壓馬達(dá)參數(shù)

根據(jù)供應(yīng)充氣系統(tǒng)的液壓源參數(shù)，單個(gè)液壓馬達(dá)流量（Q1）為[10]

式中，Q為液壓馬達(dá)總排量，n為液壓馬達(dá)個(gè)數(shù)。

由式（2）可以得到Q1為17.5 L·min-1。

液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速（N）為[11]

式中，V為液壓馬達(dá)排量。

由于液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速高于風(fēng)泵轉(zhuǎn)速時(shí)風(fēng)泵才能驅(qū)動(dòng)，選用液壓馬達(dá)排量應(yīng)小于5.83 mL·r-1，本設(shè)計(jì)選用排量為5 mL·r-1的液壓馬達(dá)為驅(qū)動(dòng)裝置，可得其轉(zhuǎn)速為3 500 r·min-1。

2.2.3 扭矩參數(shù)

選擇風(fēng)泵及液壓馬達(dá)型號(hào)后，還需驗(yàn)證液壓馬達(dá)輸出扭矩（簡(jiǎn)稱液壓馬達(dá)扭矩）是否足夠驅(qū)動(dòng)風(fēng)泵達(dá)到工作轉(zhuǎn)速。

大風(fēng)量多動(dòng)力式風(fēng)泵扭矩（簡(jiǎn)稱風(fēng)泵扭矩，T）計(jì)算如下[12]：

式中，P為風(fēng)泵功率，n1為風(fēng)泵額定轉(zhuǎn)速。

計(jì)算可得風(fēng)泵扭矩為10 N·m。

液壓馬達(dá)扭矩（L）計(jì)算如下[13]：

式中，ΔP為進(jìn)出口壓力差。

計(jì)算可得液壓馬達(dá)扭矩為18 N·m。

綜上可知，本設(shè)計(jì)充氣系統(tǒng)的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速＞風(fēng)泵轉(zhuǎn)速、液壓馬達(dá)扭矩＞風(fēng)泵扭矩，去掉少量損耗，能夠滿足氣囊在8 min內(nèi)達(dá)到20 kPa的充氣條件。

2.3 液壓平衡閥（簡(jiǎn)稱平衡閥）選型

平衡閥多用于起重液壓系統(tǒng)中，通過改變閥芯與閥座間隙改變閥門處的流動(dòng)阻力，使液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速不受載荷的影響而保持平穩(wěn)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的[14-15]。

在充氣系統(tǒng)的液壓管路中，由于液壓馬達(dá)要根據(jù)氣囊充放氣進(jìn)行正反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，平衡閥選用雙向的類型。根據(jù)供應(yīng)的液壓源壓力及流量、液壓馬達(dá)所需壓力及流量，平衡閥選用的最大壓力為35 MPa，最大流量為40 L·min-1。

2.4 管路系統(tǒng)安裝方式

管路系統(tǒng)分為動(dòng)力部分和管路部分。

2.4.1 動(dòng)力部分

管路系統(tǒng)的動(dòng)力部分用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)泵。動(dòng)力裝置包括平衡閥、平衡閥支架、硬油管、液壓馬達(dá)、液壓馬達(dá)支架、聯(lián)軸器和風(fēng)泵。平衡閥上裝有變徑對(duì)絲，其與平衡閥之間使用錐口密封方式，與硬管之間使用橡膠O形圈密封。液壓馬達(dá)兩側(cè)各裝有一個(gè)平口對(duì)絲，平口對(duì)絲內(nèi)部通過O形圈、外部通過組合墊片實(shí)現(xiàn)密封。聯(lián)軸器兩端通過鍵連接方式安裝在液壓馬達(dá)和風(fēng)泵的軸端上。

使用螺栓及螺母將平衡閥安裝在平衡閥支架上，根據(jù)平衡閥與硬管連接所需要的高度調(diào)節(jié)好支架的高度（見圖2）。將硬油管直線端的螺母連接至安全閥前端的對(duì)絲上并進(jìn)行密封，硬油管U形端的螺母連接至液壓馬達(dá)的對(duì)絲上（見圖3）。為適應(yīng)水上使用工況，硬油管和支架等零件均采用不銹鋼。

圖2 平衡閥支架安裝示意Fig.2 Installation diagram of balance valve bracket

圖3 硬油管安裝示意Fig.3 Installation diagram of hard oil pipe

2.4.2 管路部分

為實(shí)現(xiàn)安裝便捷，將管路部分分為5個(gè)分結(jié)構(gòu)，各分結(jié)構(gòu)之間使用螺紋活接頭進(jìn)行連接。

1號(hào)結(jié)構(gòu)主要包括出風(fēng)口和限壓閥。1號(hào)結(jié)構(gòu)的A端（非活接頭一側(cè)）使用螺釘與風(fēng)泵的出風(fēng)口相連，B端（活接頭一側(cè)）利用螺紋外套與2號(hào)結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，如圖4所示。在橋節(jié)箱體底部焊接風(fēng)機(jī)安裝板，通過螺栓螺母將風(fēng)機(jī)固定在箱體底部。

圖4 1號(hào)結(jié)構(gòu)安裝方式Fig.4 Installation method of structure 1

2號(hào)結(jié)構(gòu)為穿箱管連接端，其與1號(hào)及3號(hào)結(jié)構(gòu)通過螺紋活接頭相連，如圖5所示。由于箱體內(nèi)2號(hào)結(jié)構(gòu)所在位置的上方存在橋節(jié)的翻轉(zhuǎn)液壓桿，所以2號(hào)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度需大于液壓桿占用的長(zhǎng)度，并在2號(hào)結(jié)構(gòu)管體下方設(shè)置管路支架。

圖5 2號(hào)結(jié)構(gòu)安裝方式Fig.5 Installation method of structure 2

3號(hào)結(jié)構(gòu)用于與底氣囊和側(cè)氣囊的主囊充氣口1進(jìn)行連接。其四通前后各安裝有螺紋活接頭，分別與2號(hào)及4號(hào)結(jié)構(gòu)相連，三通頂端用于安裝氣囊壓力傳感器，如圖6所示。

圖6 3號(hào)結(jié)構(gòu)安裝方式Fig.6 Installation method of structure 3

4號(hào)結(jié)構(gòu)用于與底氣囊和側(cè)氣囊的主囊充氣口2進(jìn)行連接，在其一側(cè)的充氣口安裝壓力傳感器，如圖7所示。

圖7 4號(hào)結(jié)構(gòu)安裝方式Fig.7 Installation method of structure 4

5號(hào)結(jié)構(gòu)用于與底氣囊、側(cè)氣囊的應(yīng)急氣囊充氣口進(jìn)行連接，其硬管出口方向指向箱體側(cè)壁方向，如圖8所示。

圖8 5號(hào)結(jié)構(gòu)安裝方式Fig.8 Installation method of structure 5

2.5 水上充氣試驗(yàn)

將棧橋氣囊各零部件運(yùn)抵安裝現(xiàn)場(chǎng)后，配合實(shí)際棧橋箱體進(jìn)行系統(tǒng)安裝和調(diào)試。全部橋節(jié)邊箱的氣囊、充氣系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后，通過總控進(jìn)行動(dòng)力輸出。

充氣試驗(yàn)過程如下：首先在岸灘將各橋節(jié)之間的電氣線纜進(jìn)行連接、展開橋節(jié)；然后由操作人員總控進(jìn)行各橋節(jié)的充氣操作；試驗(yàn)中各底氣囊與側(cè)氣囊同時(shí)充入空氣，緩慢進(jìn)行排水。試驗(yàn)結(jié)果表明，從氣囊開始充氣至達(dá)到工作壓力后停止充氣，用時(shí)約7 min，滿足氣囊充氣速度快、浮態(tài)穩(wěn)定性好和充氣速度一致的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)運(yùn)用液壓技術(shù)，將液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備與鼓風(fēng)設(shè)備進(jìn)行有效配合，利用大通量充氣管路實(shí)現(xiàn)了棧橋氣囊的自動(dòng)充放功能。水上充氣試驗(yàn)結(jié)果表明，將棧橋氣囊充至使用壓力用時(shí)約7 min，滿足棧橋氣囊系統(tǒng)充氣速度快、浮態(tài)穩(wěn)定性好和充氣速度一致性的使用要求，使棧橋氣囊系統(tǒng)徹底擺脫了無(wú)法使用大功率電器的困境。