辽宁舰航母安装升降机设备

辽宁舰航母安装升降机设备

作者: 林杨 | 发布时间:2013-11-25 12:57:47

 

航母升降机这个名词大家并不陌生,它是航母上垂直运输工具,主要是用来运送战机往返于航母甲板与机库之间的,当然也还有别的用处。差不多每个航母都有机库,有了机库,战机就有了更好的家,既不受风吹雨打,也避免了占据甲板空间,而且在机库里还方便对战机的维护与保养。有了升降机,战机可以很方便的往返于甲板与机库之间,更利于战机的调配。说到这些,有些人估计把它与我们日常的电梯或货用电梯联系到了一起,因为它们也是垂直运输工具。而且电梯往返更多层楼,航母升降机只往返于机库与甲板之间,相当于电梯只在一层与二层往返。这么说来,航母升降机在原理上应该很简单,实现起来还很容易,其实不然,航母的工作条件与环境与日常楼宇的条件相差太大,而且航母上要求利用的空间更有效率,这些都是陆地上高楼所不曾有的。首先,在航母上不可能象正常楼宇那样搞一个电梯前室、上面的一个电机室及控制室,那样的话,航母甲板的上层建筑就太多了,从而影响战机调配和周转。而且航母的重心也会上移,稳定性差。综合航母上的特殊情况,本文就从技术角度给大家对航母升降机有一个详细的认识。

 
        首先,不同的航母类型,其升降机是不一样的,升降机首先要满足战时起降战机的批量需求,因此,配什么样的升降机,配多少升降机,那都是经过反复计算并最终确定的。象美国尼米兹级的升降机,它有四部,每部升降机要求能一次运送2F/A-18E战机,而库舰一次最多只能运送1架苏-33,这方面的性能是根据需求而定的,因为毕竟库舰上的苏-33数量有限,远低于尼米兹级上的F-18数量。还有就是起重能力也不一样,美国尼米兹级的就远强于库舰。当然无论是库舰还是尼米兹级航母,其升降机采取的都是舷侧式,而英国和意大利的小航母却采用了舷内式升降机。这有什么区别呢?先以舷内式为例说明:
        
                                  
 
        舷内式升降机其实就是在航母甲板中间开个口(基本上都是矩形),利用这个开口部分做为升降平台,然后在旁边开口甲板的下方布置升降机的附件,用液压装置带动钢丝绳并达到提升升降平台的目的。它的优点是它共有4个导轨,在海浪较大情况下防侧向移动能力较强,同时它有6组钢丝绳栓固点,提升应力不过份集中,而且它对航母的降身有好处,因为它不会在侧边外露,特别是个头小的航母,如果机库离水面距离太近,还必须采用舷内式的,否则海水可能会进来的(即便是大型航母,采用舷侧式也不能说浪大时海水就进不来,同时为了防止机库通道口受到外界武器的攻击,在机库与升降机通道口处设置了4边圆弧形,内外两层门,以保证不受外界的武器及海浪的影响),但是它的缺点也很多,首先它会占据机库空间,而且在甲板开口位置也影响战机的调配与周转,开口位置处于甲板中间,且一般处于舰体中间,这会对航母整体结构的强度影响很大,由于破坏了整体性,加强会因此增加数百吨的重量,因此大型航母无一例外的都采取了舷侧式升降机。如图:
 
        舷侧式升降机为悬臂式结构,也就是在航母机库外侧的舷边设有腰形开口,以尼米兹的为例,它开口宽23.5米。进深15.9米,呈直角梯形,总面积为374平方米,自重105吨,最大提升能力为65吨,升降平台靠近航母一侧被固定在装有垂直导向滑槽的导轨内,限制其侧向移动,然后借助液压机构带动钢丝绳来提升升降平台。它不仅占据的位置不影响战机调配,而且战机甚至可以外挑出升降平台(当然是海面侧伸出而不是靠近航母侧伸出),不占据机库空间,不影响舰身整体结构,不妨碍战机调配,这使得它的优点突出。虽然这两种类型的升降机有很大的区别,但是其工作原理仍然是相同的,就是都是采用液压顶套带动动滑轮,并通过带动钢丝绳拉动升降平台上的栓固点,从而达到升降平台上下工作的目的,也自然起到了升降机的目的。需要特别说明的是,由于升降机上升与下降时为了保证动作与运动的一致性,一套液压系统直接拉动所有钢丝绳,比如说尼米兹级的动滑轮组件运动时,直接拉动4组钢丝绳,从而保证了动作的协调性。如果我们搞四套起重系统并每个拉一组钢丝绳的话,很显然,谁也无法保证它们动作的一致性,而动作不一致,升降平台肯定会发生倾斜并卡住,后果可想而知。为了方便,我们以美国尼米兹级的航母升降机为例,来具体说一下航母升降机的工作原理。
 
        首先,美国尼米兹级的航母升降机采用的是舷侧式升降机,它采取4组钢丝绳栓固在升降平台的底部栓固点上,只有靠近航母侧的2个角处拥有防侧向移动滑轨,当然它的这些特点也都是针对航母上的战机来设计的。我们也说一下它的液压部分的工作原理情况,请先看图:
     
       此图说明了其液压工作的原理部分,它的液压缸有两部,两个完全相同,分为主副液压缸,主液压缸的压力来源于液压主泵站,它有3台功率超过150KW海军专用电动机带动油泵从回油箱抽油并压入柱塞型液压缸内,推动柱塞并带动动滑轮组移动,动滑轮组拉动钢丝绳,从而让升降平台垂直上升。而副液压缸的作用主要是储能和缓冲的作用。我们知道,尼米兹级的升降平台自重105吨,如果再加上两架F-18的话,重量可就不轻了,在升降平台下落过程中,实际上它是在重力作用下作功过程,升降平台靠自重拉动钢丝绳并带动动滑轮组移动,此时主液压缸的液压油被压回到回油箱内,而副液压缸的液压油却被压入储能罐内,并把能量储存了起来。它与调节阀一起,不仅可以缓冲速度,也可以储存了能量,当提升升降平台时由于是主、副液压缸同时工作,因此,液压主泵站的功率可以大大减少,达到节能及缓冲的两个目的。我们知道,副液压缸的蓄能储罐为了安全,在航母长时间不工作或者说升降机不工作时,里面的高压气体会放掉,因此在启动升降机使用前必须通过补气泵进行补气,并达到160个大气压力以上(一般要求在160165之间),否则仅凭单个主液压缸那是不能提升升降平台的。除了在未使用前进行补气外,由于在使用过程中存在损耗,因此补气泵也会根据升降平台落下后压力是否低于指标而进行反复补气的(那是小补)。主液压缸是靠主液压泵站提供动力的,它最大能提供190个大气压的压强,控制系统根据压力启停加压泵。请大家根据其液压工作原理图,我来说一下它的工程流程吧:
 
        首先是补气泵补充压力(长时间不用后第一次使用就需要),当然如果反复使用的话,由于蓄能器压力符合要求则不用。当升降条件具备后,然后启动警铃,升降平台上面的液压栏杆升起,然后电磁阀F1先打开,蓄能器的压力会先压至副液压缸,但是它不能推动液压缸的柱塞,如果它能推动,压力需至少超过200个大气压才行,而它却只有160个大气压。然则液压主泵站的电磁阀F2也打开,这时候双缸同时产生的推力就足以推动柱塞并推动动滑轮组了,只不过,为了限制过载,调节阀不会一下子全开,而是缓缓打开,因此升降平台的速度慢慢增加,当调节阀全开时,压入柱塞的液压油流速达到最大,升降平台的速度从开始的零增加到每秒50厘米(实际上可能会高一些),这个加速度过程只在3秒内完成。升降平台达到每秒50厘米的时候,开始匀速上升阶段,3台主液压泵全部工作,从机库到航母平台有11米的高度,因此需要近20秒左右的时间,在离航母平台还有50厘米的时候,处于甲板下方的行程开关会开始控制调节阀并实现减速,在还有不到5厘米的距离内最终达到每秒1厘米速度(其实除了行程开关外,还有高度计量装置及时间计量装置防止行程开关不动作或误动作),并以此速度上升,否则升降平台会以高速冲撞甲板接合处的。由于一开始及最后都是以低速运行的,所以整个上升最终花费时间将超过25秒,减速的时候会产生过压现象,为了防止由于过压而造成液压管道破损,管道上装了安全泄压阀,压力过高时打开,释放压力,从而保证管路的过载。当然,空气罐也可以缓冲一部分的。
 
       我们这里需要特别的说明一下,那就是升降平台并非上升到与航母甲板平齐的高度,而是比航母甲板还要高出2厘米,此时液压柱塞行程达到最大极限,电磁阀F1及电磁阀F2都关闭,控制系统此时控制升降平台液压锁销装置,并把锁销装置插入升降平台的锁销孔内,这个装置说的简单一点就象是门栓,你把门关上了,但是人在外面一推又开了,怎么办呢?就用门栓把门给拴上不就行了,类似的航母升降平台门栓,它从升降平台的旁边伸入到锁销孔内,然后通过调节阀及回油装置使升降平台稳稳的落在锁销上,这时无论是停电还是什么都不要担心升降平台会落下来啦,因为它被门一样被栓住了。一般航母升降机长期不用的时候,都是利用锁销把升降平台栓住的。当升降平台落在锁销上面的时候,升降平台正好与甲板平齐,一般误差小于2毫米,这个精度是很高的,虽然航母甲板精糙,但那是防滑,增加摩擦力用的,整体的平整度那是相当高的。当升降平台与航母甲板平齐后,液压栏杆会放下(通过液压装置控制),那么战机就可以顺利的从升降平台拉到甲板上去了。
 
        那么升降平台放下的过程呢?同样,一开始有警铃声,同时有信号报警灯,有时候则是有人在旁边指挥,因为航母不象别的地方,你的嗓门再大,也大不过飞机的引擎吧,有时候警铃听不到也不能全怪人,而且人员都还带着耳塞呢?然后升起液压栏杆,如果此时你仍在危险区的话,会有人让你离开,当然,在航母上工作,那都是先经过安全交底的,在什么位置应该注意什么的,因此外人上航母时如果没有人指导那是很危险的。
 
        液压栏杆放下后,锁销并不退回,而是利用主、副液压缸的共同作用下(需要指出的是,即便是达到最高位置,副液压缸的蓄能器的压力仍不低于96个大气压的),往上再抬高2厘米,也就是把柱塞推到极限并固定住,各个电磁阀工作状态跟上升到极限是一样的,然后液压装置从升降平台的锁销孔内退出锁销装置,那么升降平台就可以下落了,就象门栓收回,好比有人在推你的门,你是拔不开你的门栓的,必须外面的人放手,同时你再往外推一点才能拔开门栓,你的门才能打开一样道理,由于升降平台及战机共100多吨的重量压在锁销上,如何能退回去?因此必须要上升一点,让锁销孔与锁销之间呈自由分离才行。需要指出的是,在下落过程中,电磁阀F1和电磁阀F3打开,而电磁阀F2却开闭,升降平台在自重的重量下带动动滑轮组并回压柱塞,副液压缸的液压油会被压入蓄能器,并储存起来,而主液压缸的油则会被压入回油箱内,下落的速度要快点,达到每秒55厘米多一点儿,主要是靠调节阀来控制速度,而速度的采样是来源于导向轮上的速度继电器(最新升降机系统的还配备了测距仪为了防止仪表的误差),速度继电器原理简单,跟永磁发动机差不多,速度值输入到PLCPLC再控制调节阀。当升降平台快接近最低部时,也就是与机库通道一平的时候,调节阀控制阀门,并实现减速,否则会发生与上升一样的状况。速度也降到每秒1厘米,而且底部托板上也有缓冲装置,降至与机库通道一平的时候,升降平台上的液压栏杆放下(但是甲板上的液压栏杆不放下的),战机顺利拖入机库。当升降平台放至底部的时候,升降平台与机库通首平齐,主、副液压缸被压入顶端。这里副液压缸的蓄能器压力又上升到一定高度,但是达不到原来的高度,因为存在的损耗所致,同时由于蓄能器在高压下一部分转化成热能。升降机有配套的降温设备,就是为了压力容器温度过高会发生危险的。
 
      说完了液压工作原理后,有必要说一下动滑轮组及钢丝绳及导向轮部分,如下图:
 
       每组钢丝绳端头都是固定在航母升降平台的栓固点上,它要求每根钢丝绳承受的拉力一样,因此定期都需要进行调节,如何调节,很简单,人家上面有压力变送器,每根钢丝绳子的拉力一目了然,通过计算加权平均值后,人工调节至加权平均值即可,当然这些全得靠人工完成。
 
      为了保证每根钢丝绳受到的拉力都一样,钢丝绳采取了一定的措施,首先就是航母升降机用的钢丝绳种类、直径完全相同,而且长度也完全相同,因为钢丝绳在受力时会拉长的,而钢丝绳长度不一样时受力伸长的长度也当然不一样了,那么就会发生升降平台倾斜现象,这个可要命,会发生卡住等其它危险情况的。每根钢丝绳端头都是固定在栓固点上的,中间经过垂直导向轮后再经过水平导向轮,然后经过柱塞上的动滑轮组,再经过另一侧(对称布置)的水平导向轮及另一侧垂直导向轮并进入平台另一侧的栓固点,中间没有接头,为了保证每根钢丝长度相同,在水平导向轮距离上通过合理设置,从而保证每根钢丝绳的长度相同。
 
      为了保证升降平台保持在平面上,钢丝绳在栓固点是可调节的,就好象几个人共同举木头一样,你得同时一起用力,并且要木头同时上升,升降平台也如何,特别是象美国尼米兹级的舷侧式升降机,由于升降平台只有侧有导轨,而不象舷内式两侧都有导轨,因此在升降平台保持平衡时要求很高,4组钢丝绳共同拉动一个平面,每根钢丝绳受力相同,升降平台保持在一个平面上而不发生倾斜是相当重要的。你要说了,那么什么我们日常的电梯没那么多讲究啊?那是因为我们日常的电梯桥厢上方只有一端被钢丝绳拉着,钢丝绳经过上部电机卷扬机外,还与配重相连,它只拉一点,并不象航母升降机需要拉好几点,而且在质点位置,所以日常电梯不存在发生偏离的问题。
 
       另外,放在航母升降平台上的战机或其它东西在放置时要放置在其平台的重心位置,一架战机当然是放在中间,两架战机摆放时要保证四侧受力平衡,这些不难实现,因为航母上战机就那几种,因此升降平台上已经做了标记,放一架什么战机(F18)时轮子在什么位置都有标记,放两架时每个轮子在什么位置都有标记,战机位置确定后,用斜塞挡住轮子,防止其移动,有的则进行拴固。
 
       航母升降机上的钢丝绳的安全系数可比拦阻索的高多了,每组都有好几根钢丝绳,所以即便是断了一两根也不要紧,而且它本身也有限速器,钢丝绳如果发现有断丝则立即更换,到达一定使用时间也更换,所以说你听说过拦阻索上钢丝绳断过,但是绝对没听说过升降机的钢丝绳断过(我是说尼米兹级上的升降机)。除了钢丝绳,液压油管路也是保护重点,因为它确实发生过压力过高而暴裂事故,因此也采取了不少的安全措施,包括缓冲压力或释放压力的安全泄压阀及缓冲罐,也有限速器等,特别是限速器,是直接抱死在钢丝绳上的,一旦速度超过允许值,会立即抱死,从而防止了失控的发生。
 
       值得一提的是,航母上除了战机升降机,还有弹药升降机,不过,弹射升降机无论是体积还是重量,都无法与战机升降机相提并论,因此在技术上实现要容易的多。但是弹射升降机线路要复杂一些,为的是怕导弹攻击时直接会命中弹药库,因此路径复杂一些,使用时需要多周转一些。不过,运送弹药的升降机功率并不大,因为它本身重量也不大,而且弹药也比战机轻多了。所以目前大多采用直接用电动机带动卷扬机并带动钢丝绳提升和降落的方式,而非战机升降机的液压方式,利用电气控制装置直接控制电机正反转就可以实现上升和降落了,从而避免了系统的复杂性。但是工作原理与战机升降机也差不多,也是缓慢加速,中间匀速运动,末端也是以低速运行的。钢丝绳也同样有断绳保险及其它保护装置,以及电磁制动器等。
 
       说了半天,好象航母升降机挺难似的,其实并不难,至少从原理上来说,它并不算多难,不过,近年来,各种安全装置使其变得比以前复杂了,这些安全装置包括防止油管破裂、钢丝绳断绳、运行中失电、仪表失灵、升降平台倾斜、人员坠落、舰体横摇过大、防侧滑导轨不润滑、随行电缆断芯、重物偏心、调节阀失控、电气主回路及二次回路故障等各种问题。可见,设备越发展,越复杂,也是有一定道理的。
 
       那么,有人也许会问,升降机的控制按钮在哪?其实,不是一个地方,分别是设备控制室、甲板及机库通道口,每处都能控制,一般是以现场控制为主,辅以远程控制,因为在现场时,你能对现场的情况一目了然,不致于发生误操作或有不利操作的事情发生。比如说,当升降平台上升时,一般是在机库的人员操作,升降平台降落时,一般是在甲板上的人员操作,航母上的大兵都有通讯装置,控制人员相互之间都可以通讯,并报告事情的进展情况。
 
       这种大型的升降机说起来,技术上的难度其实也不算很大,关键是经验使用方面,我们还是有一定的欠缺。其中的液压系统也不算高科技,相关的液压缸及液压泵我们也有类似的经验,特别是大型船闸及大型机械上也有,并不存在什么不可突破的瓶颈。而钢丝绳及升降平台及滑轨也不存在什么高科技技术。在当今的社会科技条件下,造出一款象尼米兹那样的战机升降机简直是举手之劳。需要指出的是,美国航母升降机上用的电机是为海军专用的,在耐环境及过载能力方面,要强于普通标准的电动机。钢丝绳也是采用同向捻法不镀锌特制改进型高强度钢丝绳。液压油采用磷酸脂型液压油。应该说,安全方面有了很好的保障。
 

       那如果不为航母所用,这款大型升降机在民用领域是不是就无用武之地了呢?我觉得未必,当今中国汽车越来越多,很多大型停车场目前也正缺乏大型升降机,以提升不同层车库的车辆,而这种大型升降机不需要专门的电梯前室,重型的电机及液压机构也可以放在底层不承重位置,更好利用楼层空间,绝对值得推广之。

济南向阳:航母升降机


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