徐麗云，盛偉群，余明德

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

0 引言

起艇絞車是船舶救生設(shè)備中的重要組成部分。由于救生設(shè)備涉及到母船上船員或乘客的人命安全，因此，起艇絞車設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)收受到《國(guó)際海上人命安全公約（SOLAS）》[1]及《國(guó)際救生設(shè)備規(guī)則（LSA）》的嚴(yán)格約束，對(duì)設(shè)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?！秶?guó)際救生設(shè)備規(guī)則（LSA）》第VI章“降落與登乘設(shè)備”6.1.2.8明確規(guī)定[2]，滿載救生艇筏或救助艇降落下水的速度，應(yīng)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(shí)6.1.2.9規(guī)定：“配備全部屬具但不載人員救生筏的降落速度應(yīng)使主管機(jī)關(guān)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(yīng)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(jì)算、實(shí)際限速器改進(jìn)后的設(shè)計(jì)及后續(xù)實(shí)際限定速度的調(diào)整方法，為相關(guān)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)單位滿足《國(guó)際救生設(shè)備規(guī)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(jié)構(gòu)組成見圖1。

圖1 限速器的結(jié)構(gòu)圖

其工作原理為：限速器殼體1固定不動(dòng)，當(dāng)艇/筏下放時(shí)轉(zhuǎn)軸5隨即帶動(dòng)連桿2旋轉(zhuǎn)。摩擦材料3裝在限速塊7上，并通過銷軸6與連桿2相聯(lián)，彈簧4裝在兩限速塊上。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)因限速塊7質(zhì)心（質(zhì)量m）產(chǎn)生的離心力Fm使得摩擦材料3貼合限速器殼體1產(chǎn)生摩擦力F。摩擦力F所產(chǎn)生的摩擦力矩與外負(fù)載力矩達(dá)到平衡時(shí)，轉(zhuǎn)軸5勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，限速塊7可繞銷軸6自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保證起艇絞車在下放艇/筏過程中的平穩(wěn)性。

2 下放速度計(jì)算

由于從開始下放到達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)間很短（可忽略），銷軸5與連桿2可看作瞬時(shí)達(dá)到平衡而沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，可忽略銷軸5處的摩擦力矩。

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

式中：Z為限速塊數(shù)量，見圖1中件7；R為摩擦半徑，mm；μ為摩擦系數(shù)。

當(dāng)力矩達(dá)到平衡時(shí)，各力也達(dá)到平衡狀態(tài)。將限速塊7、連桿2和摩擦材料3作為一個(gè)整體進(jìn)行受力分析，以銷軸6軸線為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)心的力臂，mm。

故有效離心力為

已知質(zhì)心質(zhì)量m及旋轉(zhuǎn)半徑Rm，假定轉(zhuǎn)軸5的旋轉(zhuǎn)速度為n，質(zhì)量m的實(shí)際離心力為

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

同時(shí)，為保證限速器在動(dòng)力起升時(shí)不消耗能量，需保證摩擦材料3與限速器殼體1在動(dòng)力起升時(shí)不接觸，故FN=0，F(xiàn)f=0

已知?jiǎng)恿ζ鹕龝r(shí)的轉(zhuǎn)速為n0，則：

3 限速器改進(jìn)后的設(shè)計(jì)及后續(xù)限定速度的調(diào)整方法

結(jié)合離心式限速器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以通過以下幾種改進(jìn)設(shè)計(jì)來調(diào)整下放速度，從而達(dá)到預(yù)期的限速的效果，以滿足規(guī)范要求。

1）通過改變轉(zhuǎn)心的位置來調(diào)整下放速度

如圖2所示，假定轉(zhuǎn)心所處半徑為r，與水平所處夾角為θ，則：

圖2 轉(zhuǎn)心位置對(duì)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(shù)取值μ=0.35；限速塊數(shù)量Z=4；單個(gè)限速塊的質(zhì)量m=6.1 kg；彈簧力Fs=850 N；調(diào)整之前，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)心所處半徑r=138 mm；則根據(jù)式（10），n2=7 976 262，n=2 824.2 r/min。

通過改變轉(zhuǎn)心位置角度θ，當(dāng)θ角度減少5°時(shí)，根據(jù)式（11），速度下降33.35%。

通常，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，可直接利用EXCEL工具，編定好如上所述的相關(guān)公式，直接輸入θ值，通過調(diào)整就可計(jì)算得出合適的下放速度，由此預(yù)設(shè)好2個(gè)不同的轉(zhuǎn)心位置，見圖2。由此可見，通過改變轉(zhuǎn)心的位置的機(jī)構(gòu)改進(jìn)可以改變起艇絞車的下放速度，從而滿足國(guó)際救生設(shè)備規(guī)則（LSA）和救生設(shè)備試驗(yàn)（MSC.81（70））[4]中對(duì)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(diào)整彈簧的壓縮行程來調(diào)整下放速度

由于彈簧力的大小直接影響下放時(shí)速度，可以通過調(diào)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(diào)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(shè)計(jì)時(shí)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(jù)式（12），為113.3

通過改變轉(zhuǎn)心壓縮彈簧的行程，當(dāng)彈簧壓縮量減少3 mm時(shí)，根據(jù)式（13），速度下降了8.4%。

3）通過改變相關(guān)件的重量或材料來調(diào)整下放速度

由于限速塊7、連桿2和摩擦材料3的整體質(zhì)量與下放速度相關(guān)，可以在連桿結(jié)構(gòu)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(dāng)限速塊材料修改為鑄銅時(shí)，銅的密度ρ2為8.9 kg/cm3，根據(jù)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(diào)整下放速度

由于摩擦力方向?qū)χ亓ο路潘俣扔休^大影響，因此可以通過改變限速塊的安裝方向來實(shí)現(xiàn)調(diào)整，見圖3。

圖3 限速塊安裝方向調(diào)整

此時(shí)：

通過此方法，根據(jù)式（16），原來的重力下放速度下降了17.3%。

4 結(jié)論

通過研究分析離心式限速器的工作原理及結(jié)構(gòu)，較為全面地介紹了起艇絞車的核心部件限速器，并且對(duì)其改進(jìn)設(shè)計(jì)原理和調(diào)整方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，通過調(diào)整轉(zhuǎn)心的位置、調(diào)整彈簧的壓縮行程、改變相關(guān)件的重量或材料和改變限速塊的安裝方向4種方式來達(dá)到降低起艇絞車重力下放速度的目的。其中，調(diào)整轉(zhuǎn)心位置對(duì)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(guān)件的重量或材料對(duì)改變下放速度的效果最小。

因此在后續(xù)設(shè)計(jì)應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的調(diào)整方法來調(diào)整起艇絞車的重力下放速度，從而滿足《國(guó)際救生設(shè)備規(guī)則（LSA）》第VI章“降落與登乘設(shè)備”6.1.2.8以及6.1.2.9所規(guī)定的速度要求。