浅谈船用电梯的设计

随着国民经济的快速发展，近几年我国船舶工业以每年10﹪～15﹪的速度持续增长，2004年全国造船产量已达850万吨，占世界市场份额的15﹪，造船产量连续10年居世界第三位。伴随社会生活条件的稳步提高，船员追求舒适生活环境的愿望逐渐强烈，在大、中型船舶上安装船用电梯的需求日益旺盛，市场前景广阔。 　　与西方发达国家的造船业相比，我国船用配套设备的国产化水平较低，如国产船用设备的装船率只有50%。因此，提高船用国产设备的占有率是国家船舶工业持续发展的必然趋势。由于船用客梯、货梯相对陆用电梯需求量较小，且具有行业特征，因而并没有引起国内电梯生产企业的足够重视，从而使现有安装的船用电梯或者依靠于进口，或者是在陆用电梯结构及技术基础上的简单改造，这与我国船舶工业的发展状况是不协调的。因此深入进行船用电梯技术方面的研究设计是必要的。 　　船用电梯与陆用电梯存在较大差异。首先，陆用电梯的广泛应用使得其技术发展相对成熟，我国根据国情并参照欧洲标准先后制定了一系列国家标准对电梯的设计、生产、安装、改造、维护维修做出规定，如国标GB 7588－2003《电梯制造与安装安全规范》对陆用电梯的设计生产有详细要求，使企业有章可循，促进了电梯行业的健康快速发展。而船用电梯由于处在江河、大海环境中运行，因而对产品技术设计的要求具有其特殊性。结合现有的行业标准CB/T 3567－93《船用乘客电梯》及CB/T 3878－1999《船用载货电梯》，综合而言，差别主要表现在以下几个方面： 　　1、船用电梯工作气候环境相对恶劣，主要包括以下两个方面： 　　1）系统高低温设计： 　　设备运行环境温度区间相对更大，如陆用电梯正常工作温度要求在5°～40°之间，而船用乘客电梯工作环境温度要求在－10～＋50°之间，船用货梯正常工作环境温度甚至要求在－25～＋45°区间内。显而易见，船用电梯系统部件要能承受更低的环境温度，故系统设计时需要考虑到所用材质在低温下容易变脆，继电器易出现故障等因素，采取相应措施加以解决。同样系统在高温下的热设计也不容忽视，因为环境温度的升高，会使某些元器件的失效率增大。因此系统设计时除了正确选用、老化筛选器件外，还需充分利用传导、辐射、对流等冷却技术解决散热问题，最终使控制系统通过高低温试验，以满足船舶检验局的相关技术条件要求。 　　2）船用电梯的三防设计： 　　三防设计是指防潮湿、防盐雾、防霉菌设计。江河特别是海上气候环境变化大，因此在船用电梯标准中对此专门提及，如船用电梯工作条件中“空气相对湿度为95％并有凝露”，“周围介质中有盐雾、油雾和霉菌”。一方面潮湿的环境会造成水汽凝结，并直接造成产品的绝缘电阻降低，可出现漏电现象。另一方面元器件在潮湿中工作，其吸潮作用将导致介电常数变化，介质损耗增大，金属腐蚀加快，使得产品可靠性大大降低。而盐雾是一种气溶胶状体，一旦元件表面形成含盐水膜的附着，将加速金属材料的腐蚀，也降低了电子产品的绝缘电阻值。霉菌则属于真菌，可以导电，它所造成的危害 主要包括： 　　a、可使产品的绝缘电阻和抗电强度大幅度下降，微型电路板上的霉菌可使线路间短路； 　　b、使金属材料腐蚀，天然橡胶件破坏； 　　c、漆膜会被穿透，从而失去保护作用。 　　三防设计的基本原则是对关重件采用密封结构及提高元件、材料防腐、绝缘等级，比如电机、接触器、继电器尽量采用船用电器等。 　　2、船用电梯与陆用电梯的整体设计结构差异： 　　陆用电梯的机房绝大多数设在建筑物顶部，这种布局系统结构最简单，且建筑物顶部受力相对最小。船用电梯则不然，由于船体结构设计布局的多样化，直接决定了船用电梯的整体布置形式，由此导致了船用电梯的机房位置随意性大，根据需要可能会在围井附近的任意位置，大多不局限于顶部，从而造成船用电梯曳引方式、曳引比、驱动主机位置、对重及厅门位置等整体结构的一系列变化。因而每台电梯的设计均应充分考虑围井的结构特点，因地制宜，以最合理的设计方案，最可靠的产品性能满足用户的使用要求。 　　3、船用电梯运行的特殊性： 　　由于船用电梯在船舶航行过程中仍然要满足正常使用要求，因而船舶运行中的摇摆升沉，将对电梯的机械强度、安全可靠性产生较大影响，结构设计时不容忽视。船舶在风浪中航行产生的摇荡有横摇、纵摇、艏摇、垂荡（又称升沉）、横荡、纵荡六种形式，其中横摇、纵摇及垂荡对船舶设备的正常运行影响相对较大。在船用电梯标准中规定：船舶横摇±10°以内，摇摆周期10S，纵摇±5°以内，摇摆周期7S，垂荡≤3.8m，电梯可以正常运行。且要求在船舶最大横摇角±30°以内，摇摆周期10S，最大纵摇角±10°以内，摇摆周期7S以下，电梯不应损坏。鉴于此类条件，船舶摇荡时船用电梯的导轨、轿厢受到的水平方向作用力大大增强，相应地应提高该方向上结构部件的受力强度，避免结构变形甚至损坏造成停梯事故。设计中采取的措施包括减小导轨支架间距，增加导轨截面尺寸等。电梯门应加装船体摇荡时防止自然打开和突发关闭的装置，以避免门系统的误动作，或造成安全事故。驱动主机采取抗震设计，以防止船体大幅度摇荡时发生倾覆、移位事故。船舶运行时的摇摆震动，还会对电梯的悬吊部件产生较大影响，如轿厢与控制柜之间传输信号的随行电缆，应该采取措施加设保护来防止危险，以免因为随行电缆的摇荡引起与围井内电梯部件的相互缠绕，损坏设备。钢丝绳也要设置防脱落装置等等。船舶正常航行时所产生的振动频率为0～25HZ，全幅值2mm，而电梯轿厢的垂向振动频率上限一般在30HZ以下，可见存在产生共振的可能，因此应采取相应预防措施以避免谐振。控制系统中的接插件应采取防松动措施，以免因震动引起系统故障。电梯控制柜应进行冲击、震动试验。 　　另外为保证设备安全及提高系统自动化水平，可考虑设置船舶摇荡检测装置，当海况指标超出船用电梯可接受的正常工作范围时发出报警信号，停止电梯的运行，同时通过航行固定装置把轿厢与对重分别稳固在电梯围井的某一位置上，避免轿厢及对重随船体作惯性振荡，从而引起电梯零部件的损坏。 4、船用电梯与陆用电梯的控制系统差异： 1） 控制功能差别： 船用电梯的检修运行试验要求： 层门打开可运行、轿门打开可运行、安全门打开可运行、超载时可运行。 2） 电磁兼容性设计 电梯是频繁启动的大容量电器，不可避免会产生电磁干扰，若不加以控制解决，其电子辐射将影响船舶上的其它电子设备。轻者可影响产品精度，重者能使设备无法正常工作。另外电梯也不应被其它电子设备产生的电磁辐射所影响，特别是电梯的安全电路、控制信号电路应采取可靠的隔离措施。整梯设计中合理运用屏蔽设计、接地设计、滤波设计、隔离设计等电磁兼容性设计方案，最大限度地削弱甚至消除电磁干扰，避免船舶电气系统之间正常使用时的相互影响。 通过上述分析可以看出，船用电梯的技术设计主要是针对其所处江河、海上复杂环境展开的，多种因素中对设备影响最大的是船舶在航行时海浪作用下的摇摆及垂荡，因而在船用电梯设计过程中除了要使用相关的计算机软件进行必要的系统仿真外，在产品设计定型时还应考虑利用海况模拟台进行有针对性的抗摇摆振动试验。 信息来源于：中国电梯工业网