船用水密门轻量化设计_刘铭.pdf

技术交流 Technical Communication 2023/1 船舶标准化工程师 63 船用水密门轻量化设计船用水密门轻量化设计1 1 刘 铭，寿雪刚（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）摘 要：摘 要：为减轻水密门的质量，提高安全性和经济性，对水密门进行轻量化设计。通过对比国内外现状，提出水密门轻量化的技术指标，并进行方案设计。通过关键技术的实施，完成样机的研制工作。试验结果表明：样机性能良好，符合技术指标的要求。研究成果可为水密门的轻量化设计提供一定参考。关键词：关键词：水密门；轻量化；设计 中图分类号：中图分类号：U667.3 文献标志码：文献标志码：A DOI：10.14141/j.31-1981.2023.01.012 Lightweight Design of Marine Watertight Door LIU Ming,SHOU Xuegang(Hudong-Zhonghua Shipbuilding(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200129,China)Abstract:In order to reduce the mass of watertight doors and improve safety and economy,lightweight design is carried out for watertight doors.By comparing the current situation at home and abroad,the technical indicators of lightweight watertight doors are proposed,and the scheme design is carried out.Through the implementation of key technologies,the development of the prototype is completed.The test results show that the prototype has good performance and meets the requirements of technical indicators.The research results can provide some references for lightweight design of watertight doors.Key words:watertight door;lightweight;design 作者简介：刘 铭（1989），男，工程师。研究方向：船舶外舾装设计。0 引言引言 水密门广泛应用于船舶与海工平台，是保证船舶舱壁水密性能的重要船体属具。水密门在关闭后能防止一定压力的水从门的一侧向另一侧流动。水密门对保证船舶舱壁水密性，保障船舶安全具有重要作用1。从国外船舶水密门的应用和发展来看，欧美国家在水密门的设计、使用和维护方面具有较系统的规范2。目前，我国船用水密门绝大多数采用单把手联动操作方式，门面板采用单层高强度钢板或联动控制的隐藏式结构。为满足强度要求，在面板上焊接筋板。联动机构直接暴露在通道内，外观很差。水密门的零部件较多，在日常维护时需要先将联动机构拆除再重新组装。只有经过专业培训、技艺娴熟的船员或专业厂家才能进行维护和保养。此外，重新组装后的联动机构的锁紧量和压紧量很难达到拆装前的状态，这会导致密性不可靠，操作费力，维护、保养难度增大，成本提高。随着我国船舶产业的不断发展，以及新材料、新工艺、新技术的应用，传统水密门已无法完全满足使用要求。研制一种质量更轻、外观更好、耐腐蚀性更强、维护保养更加方便的新型轻量化钢质水密门尤显迫切。本文提出水密门轻量化的技术指标，并进行方案设计。通过关键技术的实施，完成样机的研制工作。64 船舶标准化工程师 2023/1 1 主要技术指标主要技术指标 为了解船用水密门的使用现状，深入调查各大船厂和设计院所，了解目前水密门的技术指标和结构形式。在分析比较国内外相关产品优缺点的基础上，制定详细、严谨的研制技术方案。新型轻量化水密门样机具有如下技术指标：1）高1 650 mm，宽650 mm，质量为105 kg。2）外压和内压均为0.05 MPa。3）相较于同尺寸的传统钢质水密门，新型轻量化水密门的总质量减轻25%，门板质量减轻35%。4）门板、门框的高度偏差和宽度偏差均为 1 mm/m。5）共制造2扇水密门。1扇焊接在水密试验箱上，用于水压试验；另1扇固定试验架上，由专业检测机构进行环境试验。6）当门关闭时，门框边缘应均匀压入填料，压入深度不大于3 mm。7）所有零部件均应具有良好的互换性和表面 质量。8）手动操作时间不得超过5 s，操作力矩不得超过150 Nm。2 技术方案技术方案 2.1 门板、门框结构门板、门框结构 目前，国内尚无相似指标的水密门，仅有美国最新的“福特”号航母上使用的海军标准压力驱动门（Navy Standard Pressure Actuated Door，NSPAD）水密门与本文设计的新型轻量化水密门的指标相当。NSPAD 的质量为98.9 kg，其采用薄板箱型结构，此结构为本文的设计提供了非常有益的借鉴。本方案中门板、门框和筋板均采用薄板结构，通过特殊结构设计和焊接工艺使水密门的强度满足要求。2.2 密封结构密封结构 为满足密性要求，我国船舶通常采用提高密封胶条硬度、增加压入深度、增加锁紧点，提高锁紧机构强度等方法。然而，由于传统水密门质量大，操作费力，往往会减少胶条的使用寿命。本文采用“唇式”密封圈，该密封圈能够在水压作用下膨胀，挤压轴和套，进而形成密封，达到水密效果。密封 结构实物图见图1。图1 密封结构实物图 2.3 联动锁紧机构联动锁紧机构 我国船舶使用的水密门为单把手快速启闭机构，可实现快速启闭的目的，但联动机构中连接点和锁紧点较多，日常维护时需要根据安装情况现场调节压紧量，对维护保养人员的技术要求非常高，造成大量人力和物力的浪费。为改变上述不足，在设计合理门板、门框结构及密封方式的基础上，尝试取消水密门上、下及铰链面锁紧机构（见图2），采用以铰链作为锁紧点，在开启面设置联动把手的模式。该模式在保证密性时不再完全依托锁紧机构对密封胶条的压紧作用，而是借助水的作用力实现密封。（a）内侧锁紧机构 图2 锁紧机构实物图 技术交流 Technical Communication 2023/1 船舶标准化工程师 65 （b）外侧紧缩机构 续图2 锁紧机构实物图 3 关键技术关键技术 3.1 门板、门框结构设计门板、门框结构设计 目前，国内水面船舶使用的最轻水密门质量为132 kg，门板由4 mm厚的907A 钢板制成，门框由6 mm厚的Q345-B材料制作。根据技术方案，门板、门框及筋板采用薄板，通过特殊结构以及焊接工艺使水密门的强度满足要求。不锈钢薄板制成的压力容器以及有压力要求的薄板结构均采用激光焊。激光焊的特点是焊接速度快、变形小、强度高。为验证不锈钢薄板激光焊接的质量，选取不同厚度、不同筋板形状的不锈钢板进行焊接，并进行压载强度试验，对比其优缺点。最终，根据试验结果进行筛选，使用厚度为1.5 mm的外面板、厚度为1.2 mm的内面板和“碗状”筋板合成不锈钢“金属三明治”结构，并用此结构制作门板（见图3）。门框则由2种不同规格的不锈钢矩形板采用激光焊接制成。本文提出的设计方案可同时满足外观、质量及强度的要求。图3 门板、筋板示意图 3.2 密封胶条设计密封胶条设计“唇式”密封圈装配在轴和套之间，其内部有一个非常小的腔，若压力水进入水腔，会促使密封圈膨胀，挤压轴和套，形成密封，进而达到水密效果。水密门的密封面为平面，可采用类似“Y”形密封结构，其依靠受压时水对密封胶条产生的作用力实现密封3，密封胶条示意图见图4。60开启面水腔门框舱壁密封胶条门板 图4 密封胶条示意图（单位：mm）3.3 联动锁紧设计联动锁紧设计 在合理设计门板、门框结构及密封方式的基础上，尝试取消水密门上、下及铰链面锁紧机构，采用将铰链作为锁紧点，在开启面设置联动把手的模式。该模式在保证密性时不再完全依托锁紧机构对密封胶条的压紧作用，而是借助水的作用力实现密封。联动锁紧机构示意图见图5。夹扣把手夹扣夹扣AAA A 图5 联动锁紧机构示意图 66 船舶标准化工程师 2023/1 3.4 安装结构设计安装结构设计 水密门所在的舱壁面板均采用数控切割，切割后与筋板焊接，船体壁板制作允许误差为34 mm/m。水密门的压紧量一般为 3 mm。由于门框强度低于舱壁强度，这导致门框与舱壁焊接时会产生变形，进而造成门的密性无法满足要求。只有保持密封面平整，密封胶条才能均匀受压。因此，采用合适的门框结构和安装结构至关重要。经反复试验，最终门框采用矩形管拼接的形式。不锈钢矩形管嵌入安装在舱壁内，其目的是尽可能避免破坏密封面的平整度。4 样机的研制样机的研制 4.1 主要组成主要组成 新型轻量化水密门由门板、门框、密封胶条、联动机构、拉手、斜楔、连杆固定装置等组成。4.2 样机制造样机制造 在标准钢质水密门生产工艺的基础上，加强产品质量管理，选用满足相关标准和研制要求的材料；采用激光焊，控制薄板焊接变形4；提高门板、门框的制造精度，保证产品外形平整、光滑、表面无明显缺陷，满足产品的研制要求。4.3 样机试验测试样机试验测试 4.3.1 水密试验 将新型轻量化钢质水密门焊接在专用试验箱上（内外水压试验共用一个水箱，分开使用），向箱内注水，当外压达到要求时，关闭进水阀，保持压力不变，坚持15 min，观察表面是否存在渗水或漏水现象5。水密试验示意图见图6。图6 水密试验示意图 4.3.2 环境试验 新型轻量化钢质水密门样机通过专业机构的环境试验，试验结果良好，满足相关技术指标要求。5 结论结论 本文对船用水密门进行轻量化设计，提出技术指标，进行方案设计，并完成样机试验。试验结果满足技术指标的要求。相较于普通钢质水密门，新型轻量化钢质水密门具有以下优点：1）采用“金属三明治”结构，内外面板及筋板之间形成60 mm厚的中空层，有效提高了门的整体强度，实现了良好的保温、隔热和隔声效果。2）采用先进的密封理念，不再完全依托锁紧机构对密封胶条的压紧作用，而是通过水的作用力压紧门板与门框之间的密封条，改变了传统水密门的锁紧模式，减少了锁紧力，达到了快速启闭的目的。3）联动机构布置在门框上，门板上仅设有拉手和扇形斜锲，在门打开后外部除必须配备的拉手外无任何突出物，外观整洁、大方。4）采用先进的激光焊接技术，提高了焊接质量，减少了环境污染，保护了施工人员的身体健康。参考文献：参考文献：1 王晓侠.对船用水密门设计选用的思考J.机电设备,2015,6(14):53-58.2 田正东.国外海军舰船水密门的应用与发展J.舰船科学技术,2015(12):175-183.3 张磊,张力钧,刘衍,等.基于ANSYS的大型船用升降平台密封性能研究J.船舶工程,2017,39(1):77-81.4 刘志刚.船舶焊接变形的控制与矫正J.船海工程,2002(1):19-20.5 温乃星.船用水密门检验分析J.中国水运,2013(10):106-110.