3 000 m3絞吸式挖泥船鋼樁臺車運(yùn)動仿真

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(上海交通大學(xué) 前船舶與海洋工程學(xué)院，上海 200030)

近年來，國內(nèi)疏浚業(yè)發(fā)展快，對疏浚工程設(shè)備提出了新要求，但我國疏浚設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程實(shí)際的需要，新型裝備的研究和制造已經(jīng)迫在眉睫[1-2]。對于鋼樁臺車的自主設(shè)計(jì)和建造，國內(nèi)還基本屬于空白，尤其是臺車作為精度高的定位系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)就要保證其結(jié)構(gòu)及運(yùn)動性能。

結(jié)合天津航道局3 000 m3/h絞吸式挖泥船的設(shè)計(jì)建造工作，對絞吸式挖泥船的鋼樁臺車進(jìn)行三維建模，建立空間幾何模型，為臺車的自主制造進(jìn)行基礎(chǔ)研究。

1 三維模型的建立

鋼樁臺車是絞吸式挖泥船的重要組成部分，工作時(shí)船體以主定位樁或輔定位樁為旋轉(zhuǎn)中心，依靠左、右橫移絞車牽引兩側(cè)的擺動纜，使絞刀頭左右擺動。當(dāng)自上而下分層切削完成后，絞刀頭就要前移一段距離，這種前移需要兩根鋼樁交替起落并配合船體的擺動才能完成[3]。具體的過程為：當(dāng)絞刀頭需要前移一次時(shí)，首先落下輔樁，然后提起主樁，主樁依靠油缸的拉動前移，到行程最大點(diǎn)，主樁落下，輔樁提起，挖泥工作開始，絞刀頭的切削前進(jìn)借助主樁油缸的推力完成，可獲得理想的開挖面。當(dāng)主樁移動到接近船體的最小位置點(diǎn)后，落下輔樁，提起主樁，至此完成一次換樁過程。挖泥船的工作過程中不斷重復(fù)上述過程，主樁及移動裝置一般稱為鋼樁臺車，除去移動裝置以外，輔樁與主樁基本相同。

ADAMS是著名的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件，通常用于多剛體分析和柔性體分析，廣泛應(yīng)用于汽車、航空、電子、鐵道等工業(yè)領(lǐng)域中。它提供虛擬樣機(jī)平臺，利用計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件在任意時(shí)刻的位置、速度和加速度，同時(shí)，通過求解代數(shù)方程組確定引起系統(tǒng)及其各構(gòu)件運(yùn)動所需的作用力及其反作用力。

建立某3 000 m3大型絞吸式挖泥船的鋼樁臺車三維模型，見圖1。鋼樁臺車一般由軌道、鋼樁、鋼樁拖架、液壓油缸和臺車主體結(jié)構(gòu)等主要部分組成。鋼樁系統(tǒng)還包括夾具、定位樁鋼索(司令繩)系統(tǒng)[4]等部件，這些小部件在建模中為簡化，只計(jì)入重量，沒有建立幾何形狀。

使用ADAMS/View[5]建立一個(gè)鋼樁臺車機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，并建立運(yùn)動部件、用約束將它們連接、通過裝配成為系統(tǒng)、利用外力或運(yùn)動將他們驅(qū)動。

圖1 臺車三維模型

2 運(yùn)動仿真

前面提及鋼樁臺車是一個(gè)經(jīng)常運(yùn)動的部件，其運(yùn)動主要包括鋼樁傾倒及其逆過程、臺車行走運(yùn)動以及鋼樁提升和下降。下面主要討論前兩種情況。

2.1 臺車的倒樁過程運(yùn)動模擬

鋼樁臺車的機(jī)械運(yùn)動較為頻繁，直接影響絞吸式挖泥船的工作效率。由于定位鋼樁直接插入泥中，所以其長度比較大，若挖泥船的工作水深為25 m時(shí)鋼樁的長度可達(dá)40 m，所以鋼樁臺車在拖航狀態(tài)時(shí)需要傾倒定位鋼樁成水平放置，便于航行。而在工作時(shí)則需要將鋼樁豎直，這個(gè)過程稱為倒樁。

鋼樁運(yùn)動過程中鋼樁托架與臺車主體之間相對旋轉(zhuǎn)，鋼樁托架與油缸活塞桿之間相對轉(zhuǎn)動和移動，活塞缸套與油缸支架之間相對旋轉(zhuǎn)，油缸活塞桿與活塞缸套之間相對移動。仿真的難點(diǎn)主要有：三組相對運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)；關(guān)鍵連接點(diǎn)處的受力分析；校核油缸推力是否足夠。

建立整個(gè)倒樁運(yùn)動的連接點(diǎn)之間的運(yùn)動副，描述三組相對運(yùn)動，見圖2、3。

圖2 倒樁機(jī)構(gòu)原理

圖3 各連接點(diǎn)位置

在托架與臺車主體(點(diǎn)1)、倒樁油缸與倒樁支架(點(diǎn)2)和倒樁油缸與托架(點(diǎn)3)以及之間采用了旋轉(zhuǎn)副連接，油缸在油缸套中以移動副連接。

機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力為油缸的頂升作用力，鋼樁的重力已知，通常油缸以10 mm/s的速度移動，考查各點(diǎn)的受力和運(yùn)動情況。然后，確定所需油缸的技術(shù)參數(shù)，用于選擇合適的液壓油缸。

在分析時(shí)考慮兩種情況，一種是船體正浮，臺車基本保持水平；挖泥船一般在波浪中作業(yè)，所以另一種是考慮船體有2°縱傾時(shí)臺車進(jìn)行倒樁動作。

1) 船體正浮，臺車保持水平。如圖4所示為鋼樁由水平放置轉(zhuǎn)動成垂直放置的過程，傾倒油缸中的一只在2點(diǎn)(圖3)的受力隨鋼樁轉(zhuǎn)角變化的曲線。其中F為合力的大小，F(xiàn)x、Fy分別沿垂向及船長方向所受分力的大小變化。由圖4可知，倒樁過程中油缸的推力在整個(gè)過程中方向會發(fā)生變化。起初鋼樁推力由最大值597 kN逐漸減小，F(xiàn)x在42°左右達(dá)到最大值。在77.32°時(shí)合力大小達(dá)到最小值，此時(shí)刻后推力反向，實(shí)際作用為拉住在重力作用下繼續(xù)向垂向運(yùn)動的鋼樁。此時(shí)，F(xiàn)x和Fy均反向，合力逐漸增大。

圖4 正浮時(shí)單一油缸作用力隨傾倒角度變化

2) 船體縱傾2°。

船舶縱傾，倒轉(zhuǎn)鋼樁油缸的作用力與鋼樁傾斜角度的關(guān)系曲線見圖5。

圖5 縱傾時(shí)單一油缸作用力隨傾倒角度變

由前面的分析可知單一油缸的最大作用力為598.8 kN，推力和拉力轉(zhuǎn)換角度為79°。縱傾時(shí)，需要油缸的作用力增大很小，約0.3%。

2.2 臺車的行走運(yùn)動仿真

行走是臺車最重要的功能之一。行走系統(tǒng)通過一個(gè)頂推油缸和臺車上的三組行走輪完成，行走輪不僅完成行走功能還承受臺車的整體重量。為了保證行走時(shí)的穩(wěn)定，在三組輪子附近還安裝有橫向?qū)蜉啞Ｐ凶邫C(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)以及頂推油缸的作用力大小根據(jù)必須整個(gè)臺車行走的情況來確定。分析中仍然考慮了兩種情況，一種是船體正浮，另一種是船體縱傾2°。鋼樁臺車行走裝置包括臺車主體與軌道接觸的6個(gè)行走輪以及4個(gè)水平限位輪。仿真建模的難點(diǎn)主要有：行走輪支撐整個(gè)臺車的重量，臺車重心與行走輪的中心位置需要校核準(zhǔn)確；輪與軌道之間有接觸，并存在摩擦作用。

借助ADAMS提供的強(qiáng)大三維模型功能，順利地實(shí)現(xiàn)了行走輪的中心位置的調(diào)整。同時(shí)ADAMS提供了接觸和摩擦的計(jì)算模型，接觸碰撞力的計(jì)算模型采用impact函數(shù)提供的非線性等效彈簧阻尼模型，其廣義形式可表示為：

式中：Fni——法向接觸力；

K——Hertz接觸剛度；

C——阻尼因子；

δi——接觸點(diǎn)法向穿透深度；

行走輪與軌道之間用轉(zhuǎn)動副相連，滑動摩擦力計(jì)算模型采用庫侖模型，靜摩擦系數(shù)取0.5，動摩擦系數(shù)取0.3。在仿真計(jì)算過程中，接觸力以及輪子與軌道的摩擦力都能實(shí)時(shí)地反映。驅(qū)動力為油缸的力，初始條件為油缸的勻速以10 mm/s推進(jìn)。

2.2.1 船體正浮，臺車保持水平

由于輪子與軌道接觸時(shí)運(yùn)動情況可能比較復(fù)雜，因?yàn)榧庸せ蛘邼櫥脑颍瑵L動和滑動情況都可能發(fā)生，故考慮滑動摩擦和滾動摩擦兩種情況并進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將油缸推力隨時(shí)間變化的曲線記錄見圖6。當(dāng)輪子與軌道是滑動摩擦?xí)r，油缸的作用力為常量247 kN。當(dāng)輪子與軌道之間滾動摩擦?xí)r，油缸的平均推力為210 kN。

圖6 頂推油缸作用力隨時(shí)間變

2.2.2 船體縱傾2°

如圖7所示，船舶縱傾時(shí)計(jì)算得到油缸的推力在輪子滑動時(shí)和滾動時(shí)的油缸推力非常接近，輪子滑動和滑動時(shí)油缸推力分別為推力339 kN和平均推力363 kN。

圖7 頂推油缸作用力隨時(shí)間變

綜合以上分析，正浮時(shí)輪子滑動比滾動需要油缸多增加約15%的推力，縱傾時(shí)輪子滑動和滾動比正浮狀態(tài)需油缸分別增加38%和32%的推力，在設(shè)計(jì)油缸時(shí)要考慮這一情況；無論是滑動摩擦還是滾動摩擦，縱傾后油缸的推力增加較大，船體縱傾對臺車行走運(yùn)動影響較大。

3 結(jié)論

船舶進(jìn)行鋼樁由水平傾倒作業(yè)時(shí)，油缸作用力有由推力向拉力的轉(zhuǎn)變，所對應(yīng)的鋼樁傾角和鋼樁推力隨著船的縱傾角度增加而增大。正浮狀態(tài)和縱傾狀態(tài)倒樁油缸的推力和拉力的臨界角點(diǎn)分別為77.2°和79°。縱傾2°對油缸作用力的影響不大，取600 kN較為適宜。

在船舶正浮時(shí)，行走輪子與軌道之間的滑動摩擦比滾動摩擦需要油缸提供更大的推力，應(yīng)當(dāng)盡量使輪子滾動。行走時(shí)需要油缸提供的作用力在210～247 kN之間。

船舶有縱傾時(shí)，行走頂推油缸的推力增大最大可達(dá)約38%，在設(shè)計(jì)時(shí)不可被忽略，此時(shí)輪子滑動或滾動對油缸推力的要求差別很小。

使用本臺車方案的絞吸式挖泥船已經(jīng)建造完成，施工過程中臺車系統(tǒng)運(yùn)行良好。

[1] 詹 斌.國外疏浚企業(yè)對我國疏浚市場的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：信息與管理工程版，2005(1):206-207.

[2] 陳 杰.工程船舶的回顧與發(fā)展[J].江蘇船舶，2003(6):3-8.

[3] 倪文華.挖泥船臺車移位系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].船舶，2002(4):56-58.

[4] 米中彪.“津航浚217”輪鋼樁臺車使用中的幾個(gè)問題[J].天津航海，2003(2):22-23.

[5] 李 軍，邢俊文.ADAMS實(shí)例教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.