ERS抱箍鎖緊裝置可靠穩(wěn)定性研究

馮是公　孟軍　秦棟成

摘要：ERS（緊急脫離系統(tǒng)）是LNG船用裝卸臂上最核心的部件，它由上下兩個球閥組成，在上下球閥中間有一套抱箍鎖緊裝置。在裝卸臂正常裝卸的過程中，LNG船在海里會發(fā)生漂移，如果LNG船漂移到預(yù)設(shè)的報(bào)警范圍，緊急脫離系統(tǒng)就會開始工作，先將上下兩個球閥關(guān)閉，然后打開抱箍鎖緊裝置，使船和裝卸臂分離?，F(xiàn)利用機(jī)械結(jié)構(gòu)原理優(yōu)化設(shè)計(jì)了抱箍鎖緊裝置，可以有效保護(hù)裝卸臂和碼頭設(shè)備，避免出現(xiàn)重大安全事故。

關(guān)鍵詞：LNG;ERS;船用裝卸臂;緊急脫離系統(tǒng);抱箍鎖緊裝置

0 引言

LNG船用裝卸臂的安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩級報(bào)警系統(tǒng)。如果LNG船漂移至一級報(bào)警位置，緊急脫離系統(tǒng)[1]就會關(guān)閉雙球閥;如果LNG船繼續(xù)漂移至二級報(bào)警位置，緊急脫離系統(tǒng)就會打開抱箍鎖緊裝置，實(shí)現(xiàn)裝卸臂和船之間的分離。

抱箍鎖緊裝置在二級報(bào)警需要抱箍打開的時候，抱箍必須能夠迅速打開，但在正常裝卸的時候，必須要保證抱箍始終是在鎖緊狀態(tài)，不能出現(xiàn)意外打開的情況。本文研究的重點(diǎn)就是利用機(jī)械結(jié)構(gòu)原理來徹底解決這個問題，并進(jìn)行試驗(yàn)認(rèn)證，確保該裝置穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

1 結(jié)構(gòu)介紹

1.1 ? ?緊急脫離系統(tǒng)

緊急脫離裝置如圖1所示，它安裝在裝卸臂的三維接頭垂直位置，安裝位置如圖2所示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為兩部分：一部分是開關(guān)閥機(jī)構(gòu)，另一部分是抱箍鎖緊裝置。

1.2 ? ?抱箍鎖緊裝置

1.2.1 ? ?抱箍截面模型

抱箍鎖緊的截面模型如圖3所示。

球閥和抱箍的接觸面是錐面，抱箍收緊，壓緊上下球閥的錐面使兩個球閥相互貼緊，在兩個球閥接觸的端面之間有蓄能密封圈，并且密封面端面之間不能出現(xiàn)泄漏，抱箍不能因?yàn)橥饬蛘哒駝映霈F(xiàn)松動或脫開。

1.2.2 ? ?抱箍鎖緊裝置主要部件

抱箍鎖緊裝置的主要部件如圖4所示。

兩個油缸支承是通過螺栓連接到抱箍Ⅰ上的，油缸通過上下兩個固定軸可以在油缸支承里自由旋轉(zhuǎn)。推拉機(jī)構(gòu)可以繞銷軸Ⅳ自由旋轉(zhuǎn)，鎖緊桿可以繞銷軸Ⅱ自由轉(zhuǎn)動。在鎖緊桿上有一個固定銷軸Ⅲ，鎖緊桿通過銷軸Ⅲ和推拉機(jī)構(gòu)連接。

抱箍鎖緊裝置的裝配圖如圖5所示。

正常工作的時候，油缸活塞收緊，油缸活塞頭座通過銷軸Ⅰ拉動推拉機(jī)構(gòu)，推拉機(jī)構(gòu)繞銷軸Ⅳ旋轉(zhuǎn)，銷軸Ⅲ卡在推拉機(jī)構(gòu)的銷槽內(nèi)，通過銷軸Ⅲ拉動鎖緊桿，鎖緊桿和抱箍Ⅱ連接，拉動整體抱箍收緊，進(jìn)而抱箍收緊閥體。

1.2.3 ? ?連桿機(jī)構(gòu)死點(diǎn)原理

裝卸臂在正常使用的時候，還要考慮油缸壓力失效時會不會意外打開抱箍。要保證抱箍不會意外打開，就需要從機(jī)械原理上對抱箍進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)[2]是機(jī)械工程中應(yīng)用最廣的一類機(jī)構(gòu)，可以將鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)原理應(yīng)用到抱箍鎖緊裝置上。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的簡化圖如圖6所示。

圖6所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，曲柄1為原動件，驅(qū)動從動件搖桿3做往復(fù)擺動，從動件受到驅(qū)動的方向與受力點(diǎn)速度方向所夾的銳角α稱為壓力角。由連桿2傳遞到搖桿3上的力F的作用線沿BC方向。F在速度VC方向的分力Ft是產(chǎn)生驅(qū)動力矩的有效分力，其值為Ft=Fcos α。壓力角越小，有效分力越大，機(jī)構(gòu)的傳動性能越好。當(dāng)壓力角增大，有效分力Ft減小時，傳動性能變差。在實(shí)際應(yīng)用中，為了測量方便，通常以壓力角的余角γ來衡量機(jī)構(gòu)的傳動性能。γ（即連桿和搖桿之間的銳角）稱為傳動角，傳動角越大，傳動的性能越好。

在△ABD和△CBD中，由余弦定理可得：

BD2=l2 1+l2 4-2l1l4cos φ=l2 2+l2 3-2l2l3cos∠BCD

由此可得：

cos∠BCD=

∠BCD=γ

若以搖桿3為原動件驅(qū)動曲柄1轉(zhuǎn)動，當(dāng)搖桿位于C1D時，如圖7所示，通過連桿2傳遞到曲柄1上力的作用線經(jīng)過曲柄的轉(zhuǎn)動中心A，此時壓力角α=90°，因此不產(chǎn)生驅(qū)動力矩來推動曲柄轉(zhuǎn)動，而使整個機(jī)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)，即α=90°，F(xiàn)t=0，這種位置稱為死點(diǎn)。若搖桿繼續(xù)擺動，曲柄可能沿著原來的運(yùn)動方向繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動，也可能沿著與原來相反的方向轉(zhuǎn)動，還可能由于轉(zhuǎn)動副中摩擦阻力的影響卡死在該位置。

對某些機(jī)械機(jī)構(gòu)來說，死點(diǎn)位置是工作過程中極為不利的位置，但在一些機(jī)構(gòu)中也能得到很好的應(yīng)用。如圖8所示，工件夾緊機(jī)構(gòu)利用機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置進(jìn)行工作，當(dāng)工件夾緊后BCD成一直線，在工件反作用力F作用下，由連桿BC傳遞到CD桿上的力經(jīng)過其轉(zhuǎn)動中心，機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置，即使機(jī)構(gòu)受很大的反力作用也可以保證在加工時工件不松動。

1.2.4 ? ?死點(diǎn)原理在抱箍鎖緊裝置中的應(yīng)用

將連桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)原理運(yùn)用到抱箍鎖緊裝置上，四連桿機(jī)構(gòu)也可以演化成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖9所示。

油缸活塞收緊，活塞拉動推拉機(jī)構(gòu)，當(dāng)AC和BC共線的時候，正好是在死點(diǎn)位置。繼續(xù)收緊油缸，使AC線超過BC線一個角度，越過死點(diǎn)位置，同時油缸活塞桿也已經(jīng)全部縮回到位，此時鎖緊機(jī)構(gòu)完全是剛性連接。如果產(chǎn)生外力載荷（由于管線介質(zhì)的重量或者裝卸過程中產(chǎn)生的振動）作用在抱箍上，鎖緊裝置只會向收緊的方向運(yùn)動，將抱箍Ⅰ和抱箍Ⅱ收緊，即使將油缸拆除，鎖緊桿的運(yùn)動方向也不會出現(xiàn)改變。

在B點(diǎn)銷軸位置安裝有一根安全銷，如圖10所示，安全銷貫穿推拉機(jī)構(gòu)和鎖緊桿。當(dāng)油缸活塞桿推出時，必須先要把安全銷剪切斷，推拉機(jī)構(gòu)和鎖緊桿才能完全分離，保證在任何振動或者額定的外載荷下，都不足以將安全銷剪切斷。

2 抱箍鎖緊裝置測試

抱箍鎖緊裝置的設(shè)計(jì)載荷[3]是基于緊急脫離裝置內(nèi)部壓力PL和抱箍鎖緊裝置上的最大當(dāng)量載荷LCA。LCA是指在裝卸臂最惡劣工況下，作用在抱箍鎖緊裝置上的軸向力、徑向剪切力和彎矩的組合?，F(xiàn)從FEA分析和模擬工裝試驗(yàn)臺測試兩方面對緊急脫離抱箍裝置進(jìn)行分析。