基于SolidWorks的黃河破冰船輔助破冰設計及分析

賈書源

（華北水利水電大學 機械學院，河南 鄭州450011）

黃河凌汛是我國北方河流特有的一種現象，由于黃河流經緯度跨度大，各地區每年冬春兩季封河和開河時間有較大差異，一旦下游冰凌堵塞河道，上游河水流過，水位將被抬高，很容易發生漫壩、潰堤事故[1]。傳統的炮擊方法效率低下，危險系數高，環境危害大，研究出一種工作靈活、破冰能力強的機械式黃河破冰船迫在眉睫[2]。

1 黃河破冰船的整體設計

黃河水淺，河面上方低空建筑物多，傳統的依靠大噸位船身爬到冰面上破冰的方法受到了較大限制[3]。為保障破冰能力，根據河道需要，盡可能增大船身寬度，船艏至船底加厚鋼板，并通過焊接方式安裝冰刀，增強破冰能力。

船體內部設計加裝水箱（根據需要，可隨時短時間注水或排水，調節船重和船體重心位置），維持船體平衡，并輔助增強破冰效果。當冰層過厚無法直接撞破時，通過大流量水泵將船體內前水箱的水短時間內轉移到船體后內部水箱，使船頭抬起并以冰刀為導軌駛上冰面，迅速將船體內前水箱注滿水，通過船自身重量壓破冰層。為保障破冰船不會被浮冰困住，在破冰船前部甲板安裝一個可旋轉式機械手，通過機械手的冰鋸切割船前以及船兩側冰蓋配合破冰船完成輔助破冰任務。

2 破冰船主要零件設計

2.1 冰刀的設計

黃河破冰船整體采用寬淺式方式，設計船體長度為8500mm，寬度為3000mm，高度為2500mm，最大吃水深度1500mm，船艏鋼板加厚，安裝1000mm高的冰刀，并一直延伸到破冰船的底中部，不但可以在連續破冰時撞破冰層，還可以起到輔助滑行作用，有利于船頭駛上冰蓋，增大船體底部壓強，壓破冰層。建立冰刀三維模型如圖1所示。

2.2 船用機械手的設計

圖1 破冰船冰刀三維模型示意圖

船體冬季夜間泊行往往被浮冰凍住，船體無法依靠自身動力前進或后退。設計了如圖2所示的機械手輔助破冰。機械手安裝在船身前部甲板之上，用于切割船身附近冰層用以輔助破冰船破冰。

機械手末端冰鋸需要完成前后、左右、上下移動等基本動作，設計的機械手以極坐標方式保障3個方向的運動。機械手動力依靠破冰船配備的電動機帶動。機械手底部為旋轉圓臺，根據需要可以進行180°的旋轉，圓臺連接的傳動臂可以進行90°的彎曲，機械手臂能夠伸縮，保障了機械手的全方位無死角工作。

圖2 破冰船機械手三維模型示意圖

2.3 破冰船驅動動力的配置

破冰船整體質量m在15t左右，采用船用柴油機驅動工作。破冰船在連續破冰時，假定其運動為一個恒阻力勻速（速度為V）運動。取破冰船破冰時的阻力系數μ=0.5，則船體阻力F=μmg=75000N（g為重力加速度）。柴油機功率可根據P=FV來進行計算。設定破冰船連續破冰時的速度V為1m/s。則在連續破冰條件下破冰船所需要的柴油機功率為P=FV=75KW。

破冰船機械手等電動機依靠柴油機帶動發電機提供動力，假設柴油機運行時要分散30%-40%的動力來帶動船上的電動機，破冰船上減速器的傳遞效率為0.9，螺旋槳驅動船體前進的傳遞效率為0.8，連續破冰時需要的柴油機功率為148-173KW。選用額定功率為179KW的NT855-M240型船用發動機。

3 破冰船主要零部件運動仿真分析

3.1 船用機械手作業空間仿真

在機械手臂的控制設計過程中，機械手臂的運動軌跡及作業空間是關鍵的參數[4]。機械手末端參考點所能到達的空間點的集合即為機械手的作業空間，它是衡量機械手工作能力的直接指標。本文從鋸片末端的邊界曲線出發，通過motion分析跟蹤其工作路徑，進而尋找機械手作業空間的包絡曲線。

Motion參數設置如下：旋轉臺設置為旋轉電機驅動，工作模式為震蕩，位移180°，頻率0.5Hz；機械臂底部設置為旋轉電機驅動，工作模式為距離驅動，工位移90°，持續時間10s。得到其90°作業空間包絡線俯視圖和正視圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 作業空間俯視圖

圖4 作業空間正視圖

通過對機械手的作業空間進行研究，可以檢測機械手是否滿足要求，也可以對反向設計船艏形狀提供依據。

3.2 船用冰刀的分析

圖5 冰刀應力圖

圖6 冰刀應變圖

冰刀作為破冰船主要破冰零件，承擔破冰的沖撞任務。冰刀前部設置一個圓環，以備破冰船固定或者牽引。

船用冰刀的有限元分析在SolidWorks中采用simulation插件進行。分析計算基本步驟為：建立約束——選擇刀具材料——施加載荷——劃分網格。運行后得到的冰刀應力和應變圖如圖5和圖6所示。

圖5中，冰刀所受的最大應力為18.65MPa，而碳鋼板的屈服力為235MPa，遠大于18.65MPa，圖6中，冰刀的最大應變發生在圓孔處，應變值為4.930×10-5m，基本可以忽略不計。

4 結語

通過SolidWorks軟件對破冰船輔助破冰部分進行了三維建模，利用motion控件模擬了機械手的作業空間，利用simulation插件完成了船用冰刀的有限元分析，關鍵部位進行校核，保證了破冰船設計過程中的時效性和安全性。

［1］張安魯，趙悅，劉云.黃河凌汛成因的初步分析及其防治措施的發展［J］.科技創新導報.2009（5）:93.

［2］張南如.黃河破冰船設計經過［J］.中國造船.1957（3）:59-70.

［3］朱文博.內河淺水航區采用雪撬型首的破冰效果［J］.江蘇船舶.1981（2）:38-42.

［4］尹成龍，牛多青.基于SolidWorks的挖掘機虛擬樣機設計及工作裝置運動仿真［J］.機械制造，2009，47（536）:15-17.