CN209686341U - 一种船舶靠泊防撞装置及液压缓冲系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种船舶靠泊防撞装置及液压缓冲系统，包括滚筒、缓冲垫、导向装置和缓冲液压缸，以及在缓冲液压缸的管路上安装的溢流阀、三位四通换向阀和补油单向阀。本实用新型通过对系统元件的选型，建立了船舶撞击防撞装置的数学模型，并进行了系统仿真研究，最后得出了溢流阀预压缩量和船舶等效质量对系统缓冲性能的影响，结果表明：溢流阀弹簧预压缩量增大，船舶位移和缓冲时间均减小，缓冲油缸工作腔压力增大，弹簧预压缩量对工作腔流量没有影响；船舶等效质量增大，船舶位移和缓冲时间均增大，船舶等效质量对缓冲油缸工作腔最大压力和最大流量也没有影响，从而为完善船舶靠泊减震吸能技术提供一定的理论指导。
Description
技术领域
本实用新型涉及大型船舶靠泊技术领域，具体为一种船舶靠泊防撞装置及液压缓冲系统。
背景技术
在高速大型船舶靠泊过程中，船舶对码头的撞击力较大，极易对码头和靠泊装置造成破坏，因此对船舶防撞装置的研究至关重要。护舷作为主要的船舶防撞装置，有木材护舷和橡胶护舷，橡胶比木材耐久性强，不易腐烂，使用周期长，普遍应用于码头。
近几年，被动防撞设施同样取得了较大发展，应用较多的有附着式防护系统、薄壳筑沙围堰防护系统和漂浮网状防护系统，而前景较好的是柔性吸能防撞设施，柔性吸能防撞依靠船舶撞击力的作用使桩头水平变位从而消耗靠泊动能，要求高等级钢材和高质量焊接。
针对传统船舶靠泊防撞设施的不足，液压缓冲式防撞装置得到应用，国内涌现出多种液压缓冲减震护舷装置，主要使用液压缸和缓冲阀作为缓冲元件对船舶靠泊前的能量进行吸收。现有的技术方案中，考虑了船舶靠泊时的撞击力和风浪对护舷的作用力，设计研究了一种借液压阻尼使船舶靠泊时缓慢减速的液压缓冲护舷装置。还有利用液压卸荷耗能理论设计了船舶靠泊液压防撞装置，基于ANSYS对液压缸进行了强度校核；以及通过配置液压防撞系统，有效解决了多用途船在大风浪海况下难以与钻井平台对接的难题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种船舶靠泊防撞装置及液压缓冲系统，主要进行了撞击力的计算和液压缓冲系统元件的选型，建立了缓冲系统数学模型，基于Simulink求解了系统方程并进行仿真研究，分析了防撞液压缓冲系统动态性能，研究了不同溢流阀参数下和不同船舶等效质量下的系统动态特性，为完善船舶靠泊减震吸能技术提供一定的理论指导，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种船舶靠泊防撞装置，包括滚筒、缓冲垫、导向装置和缓冲液压缸；所述滚筒并排设置在钢结构框架内，钢结构框架的下方设置有缓冲垫，缓冲垫的下方安装缓冲液压缸，在所述的钢结构框架的四个端角处还对称设置有导向装置。
本实用新型提供另一种技术方案：一种船舶靠泊防撞的液压缓冲系统，包括与钢结构框架连接的缓冲液压缸，缓冲液压缸的管路上安装有溢流阀、三位四通换向阀和补油单向阀；所述溢流阀的另一端口还与三位四通换向阀接通，三位四通换向阀的管路上还连接有油泵，油泵上安装有电机，且油泵的进油端口处连接有油箱，油箱的供油管路上连通有补油单向阀。
优选的，所述缓冲液压缸设置有四个，行程选用l＝1000mm，缸筒内径D＝220mm，活塞杆直径d＝160mm。
优选的，所述溢流阀的通径选择根据缓冲液压缸瞬时流量确定，其通径选用60mm。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型提供的一种船舶靠泊防撞装置及液压缓冲系统，通过详细阐述其工作原理，对系统元件进行了选型，建立了船舶撞击防撞装置的数学模型，基于Simulink进行了系统仿真研究，得到了船舶位移速度变化曲线和缓冲油缸工作腔压力-流量变化曲线，最后得出了溢流阀预压缩量和船舶等效质量对系统缓冲性能的影响，仿真结果表明：溢流阀弹簧预压缩量增大，船舶位移和缓冲时间均减小，缓冲油缸工作腔压力增大，弹簧预压缩量对工作腔流量没有影响；船舶等效质量增大，船舶位移和缓冲时间均增大，船舶等效质量对缓冲油缸工作腔最大压力和最大流量也没有影响，从而为完善船舶靠泊减震吸能技术提供一定的理论指导。
附图说明
图1为本实用新型的防撞缓冲结构图；
图2为本实用新型的液压缓冲原理图；
图3为本实用新型的船舶靠泊工况简化图；
图4为本实用新型的活塞受力分析示意图；
图5为本实用新型的缓冲液压缸活塞杆力平衡模型图；
图6为本实用新型的缓冲液压缸流量连续性模型图；
图7为本实用新型的直动式溢流阀流量模型图；
图8为本实用新型的直动式溢流阀阀芯力平衡模型图；
图9为本实用新型的缓冲油缸工作腔压力流量曲线图；
图10为本实用新型的船舶位移速度曲线图；
图11为本实用新型的溢流阀预压缩量对工作腔压力的影响曲线图；
图12为本实用新型的溢流阀预压缩量对工作腔流量的影响曲线图；
图13为本实用新型的溢流阀预压缩量对船舶位移的影响曲线图；
图14为本实用新型的溢流阀预压缩量对船舶速度的影响曲线图；
图15为本实用新型的船舶等效质量对工作腔压力的影响曲线图；
图16为本实用新型的船舶等效质量对工作腔流量的影响曲线图；
图17为本实用新型的船舶等效质量对船舶位移的影响曲线图；
图18为本实用新型的船舶等效质量对船舶速度的影响曲线图。
图中：1滚筒、2缓冲垫、3导向装置、4缓冲液压缸、5钢结构框架、6溢流阀、7三位四通换向阀、8补油单向阀、9油泵、10电机、11油箱。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1，本实用新型实施例中：提供一种船舶靠泊防撞装置，包括滚筒1、缓冲垫2、导向装置3和缓冲液压缸4；滚筒1并排设置在钢结构框架5内，钢结构框架5的下方设置有缓冲垫2，缓冲垫2的下方安装缓冲液压缸4，在钢结构框架5的四个端角处还对称设置有导向装置3，导向装置3可以提高靠泊防撞缓冲结构的稳定性、受力均匀及安装布置等；其中，滚筒1是为了靠泊时避免损害船舶表面，缓冲垫2下设缓冲液压缸4吸收船舶靠泊时产生的冲击动能。
请参阅图2，本实用新型实施例中：还提供一种船舶靠泊防撞的液压缓冲系统，包括与钢结构框架5连接的缓冲液压缸4，缓冲液压缸4的管路上安装有溢流阀6、三位四通换向阀7和补油单向阀8；溢流阀6的另一端口还与三位四通换向阀7接通，三位四通换向阀7的管路上还连接有油泵9，油泵9上安装有电机10，且油泵9的进油端口处连接有油箱11，油箱11的供油管路上连通有补油单向阀8。
工作原理为：1)船舶靠泊前，三位四通换向阀7-1DT得电处于左位，油泵9输出的液压油进入缓冲液压缸4无杆腔，待缓冲液压缸4活塞完全伸出后，三位四通换向阀7-1DT失电处于中位，此时缓冲系统处于待命状态；2)船舶靠泊碰撞到防滑装置时，船舶动能间接作用于缓冲液压缸4活塞杆，推动活塞杆压缩无杆腔油液，当无杆腔压力达到溢流阀6设定的开启压力值后，无杆腔油液经溢流阀6溢流，无杆腔压力反作用于活塞进而产生阻尼力，使得船舶缓冲减速直至稳定停泊，待船舶离港后，控制三位四通换向阀7调节缓冲液压缸4复位。
在上述实施例中，缓冲液压缸4设置有四个，并对该缓冲液压缸4进行尺寸选型：在船舶靠泊码头的过程中仅考虑船舶速度的法向速度v0，不考虑其水平速度，图3为船舶靠泊时的一种工况简化图(切斜靠泊角度为10°)，船舶主要参数：游轮质量5×107kg，船长220m，船宽30m，型深20m，吃水10m；根据《港口工程荷载规范》，靠泊法向速度暂取0.1m/s；
在船舶靠泊时，定义被防撞装置吸收的能量为有效动能，根据《港口工程荷载规范》，船舶有效动能E0为：
式中，ρ0为有效动能系数，通常取0.7～0.8，暂取0.8计算；M为游轮质量，kg；v0为靠泊法向速度，m/s；
由公式(1)可计算得：E0＝2×105J；
根据能量转换原理，有效动能满足
式中，为平均撞击力，N；δ为船舶和防撞装置的总变形量，m；
设各部分变形均为弹性变形，则平均撞击力可由公式(3)求出：
式中，Fmax为最大撞击力，N；
船舶和防撞装置的总变形量满足
δ＝Fmax(C1+C2) (4)
式中，C1为防撞装置的弹性变形系数，m/N；C2为船舶的弹性变形系数，m/N；
由公式(2～4)可得最大撞击力：
查阅相关标准，可取C1＝7.84×10-8m/N，C2＝0.88×10-8m/N(船长L＝220m)；
则可得Fmax＝2.14×106N，此冲击载荷同时作用于四个缓冲液压缸4，每个缓冲液压缸4载荷F＝53.5×103N；
根据机械设计手册计算缓冲油缸缸筒内径D：
式中，p为缓冲油缸工作腔压力，暂取p＝15MPa；
则D≥213mm，选取D＝220mm。
由于活塞杆受到的是压力且缓冲液压缸4工作腔压力p>7MPa，根据经验活塞杆直径d＝0.7D＝154mm，选取d＝160mm，此时缓冲油缸行程l＝1000mm。
在上述实施例中，溢流阀6的通径选择根据缓冲液压缸4瞬时流量确定，假设流出缓冲液压缸4的流量全部经溢流阀6溢流，缓冲过程的最大流量q由方程(7)计算：
则q≈107.44L/min，初步选溢流阀6通径为60mm。
为了更进一步解释说明本实用新型液压缓冲系统，对该缓冲系统进行数学建模：
请参阅图4，为了使防撞缓冲装置与游轮表面较可能贴合，防撞缓冲装置相对于水平面设置一定角度δ，如图4为活塞受力分析示意图，其中Mgsinδ为游轮等效质量体沿活塞轴向方向作用于活塞的作用力：在船舶撞击缓冲液压缸4的过程中，液压缸活塞满足力平衡和流量连续性：活塞力平衡方程为
式中，M0为船舶等效质量，M0＝M/4，kg；x为活塞位移，m；p为工作腔压力，N/m2；A为缓冲缸活塞面积，Ap＝π(D2-d2)/4，m2；B为活塞阻尼系数，N/m·s-1；Fmax为最大撞击力，N；δ为防撞缓冲装置与水平线夹角，°，暂取5°；F1为活塞惯性力，N，由于活塞质量相对于游轮质量较小，这里忽略不计；
工作腔流量连续性方程为
式中，q为工作腔流量，m3/s；V为缓冲过程中工作腔实时容积，V＝A(l-x)V，m3；β为油液弹性模量，MPa。
缓冲液压缸4流出的油液进入溢流阀6，溢流阀6也满足力平衡和流量连续性，溢流阀6的阀芯力平衡方程为
式中，m为阀芯质量，kg；x1为阀芯位移，m；B0为阀芯阻尼系数，N/m·s-1；K为弹簧刚度，N/m；x0为弹簧预压缩量，m。
溢流阀6的流量连续性方程为
式中，Cv为节流系数；D1为溢流阀阀座通径，m；α为阀芯半锥角，暂取α＝45°；ρ为油液密度，kg/m3；阀芯面积A1＝πD1x1sinα。
为了更进一步验证上述缓冲系统数学建模的技术效果，对其进行系统仿真：根据缓冲系统数学模型，基于Simulink求解缓冲系统方程进行系统仿真，仿真时间15s，步长0.001s，仿真参数设置如表1所示(部分参数前面已给出，不再赘述)；如图5～图8为基于Simulink的仿真模型，图5为缓冲液压缸活塞杆力平衡模型，图6为缓冲液压缸流量连续性模型，图7为直动式溢流阀流量模型，图8为直动式溢流阀阀芯力平衡模型；
表1仿真参数
系统仿真结果：按初始参数进行仿真得到如图9所示的缓冲油缸工作腔压力流量变化曲线和如图10所示的船舶位移速度变化曲线；由图9和图10可知，在船舶撞击防撞装置时，缓冲液压缸4工作腔压力短时间达到3.5MPa，工作腔流量短时间达到230L/min；船舶制动位移最大为0.5m，速度从0.1m/s减小到0耗时10.5s(也就是船舶缓冲时间为10.5s)，撞击停泊过程中，工作腔压力流量瞬间到达最大值，待撞击结束后降为0；该过程中，缓冲液压缸4工作腔流量减速过程对应于船舶速度减小过程；其他参数不变，仅调节溢流阀6弹簧预压缩量(即改变溢流阀6溢流压力值)为5mm、6mm、7mm和8mm进行仿真，得到如图11所示的溢流阀6预压缩量对工作腔压力的影响曲线、如图12所示的溢流阀6预压缩量对工作腔流量的影响曲线、如图13所示的溢流阀6预压缩量对船舶位移的影响曲线和如图14所示的溢流阀6预压缩量对船舶速度的影响曲线。
在船舶靠泊过程结束后，缓冲液压缸4工作腔压力和流量及船舶速度均降为0，而船舶位移达到最大值，因此由图11～图14均可得：随溢流阀弹簧预压缩量的增大，船舶缓冲时间减小，船舶制动位移减小，缓冲液压缸4工作腔最大压力增大，工作腔最大流量不变。
其他参数不变，仅改变船舶等效质量为2.0×107kg、1.5×107kg、1.25×107kg和1.0×107kg进行仿真，得到如图15所示的船舶等效质量对工作腔压力的影响曲线、如图16所示的船舶等效质量对工作腔流量、如图17所示的船舶等效质量对船舶位移的影响曲线和如图18所示的船舶等效质量对船舶速度的影响曲线：由图15～图18可得：随船舶等效质量的增大，船舶缓冲时间增大，船舶制动位移增大，缓冲液压缸4工作腔最大压力和最大流量均不变。
综上所述：本实用新型提供的一种船舶靠泊防撞装置及液压缓冲系统，通过详细阐述船舶靠泊防撞液压缓冲系统的工作原理，建立了船舶撞击防撞系统数学模型，并进行了系统仿真，得到了船舶位移速度变化曲线和缓冲液压缸4工作腔压力流量变化曲线，最后得出了溢流阀6预压缩量和船舶等效质量对系统性能的影响规律，即：
1)随溢流阀弹簧预压缩量的增大，船舶缓冲时间减小，船舶制动位移减小，缓冲液压缸4工作腔最大压力增大，工作腔最大流量不变。
2)随船舶等效质量的增大，船舶缓冲时间增大，船舶制动位移增大，缓冲液压缸4工作腔最大压力和最大流量均不变，从而为该技术领域完善船舶靠泊减震吸能技术提供一定的理论指导。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种船舶靠泊防撞装置及液压缓冲系统，其特征在于，包括滚筒(1)、缓冲垫(2)、导向装置(3)和缓冲液压缸(4)；所述滚筒(1)并排设置在钢结构框架(5)内，钢结构框架(5)的下方设置有缓冲垫(2)，缓冲垫(2)的下方安装缓冲液压缸(4)，在所述的钢结构框架(5)的四个端角处还对称设置有导向装置(3)。
2.根据权利要求1所述的一种船舶靠泊防撞装置及液压缓冲系统，其特征在于：包括与钢结构框架(5)连接的缓冲液压缸(4)，缓冲液压缸(4)的管路上安装有溢流阀(6)、三位四通换向阀(7)和补油单向阀(8)；所述溢流阀(6)的另一端口还与三位四通换向阀(7)接通，三位四通换向阀(7)的管路上还连接有油泵(9)，油泵(9)上安装有电机(10)，且油泵(9)的进油端口处连接有油箱(11)，油箱(11)的供油管路上连通有补油单向阀(8)。
3.根据权利要求2所述的一种船舶靠泊防撞装置及液压缓冲系统，其特征在于：所述缓冲液压缸(4)设置有四个，行程选用l＝1000mm，缸筒内径D＝220mm，活塞杆直径d＝160mm。
4.根据权利要求2所述的一种船舶靠泊防撞装置及液压缓冲系统，其特征在于：所述溢流阀(6)的通径选择根据缓冲液压缸(4)瞬时流量确定，其通径选用60mm。
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