船舶應急拖帶裝置強度試驗機的研制

蘇世杰　游有鵬　唐文獻　李存軍

1.南京航空航天大學, 南京, 210016　　2.江蘇科技大學, 鎮江,2120033. 舟山市質量技術監督檢測研究院, 舟山, 316021

船舶應急拖帶裝置強度試驗機的研制

蘇世杰1,2游有鵬1唐文獻2李存軍3

1.南京航空航天大學, 南京, 2100162.江蘇科技大學, 鎮江,2120033. 舟山市質量技術監督檢測研究院, 舟山, 316021

摘要：設計了一種船舶應急拖帶裝置強度試驗方法。為簡化試驗機結構，提出將被試導纜孔及拖纜/防擦鏈整體旋轉30°以實現拉力平面與水平面的重合，并將強力點單獨進行試驗，給出了相應的試驗流程。按照設計試驗方法及應急拖帶裝置型式試驗和出廠試驗的要求，進行了試驗機總體設計、結構件-混凝土復合式機身設計、雙缸同步加載系統設計、拖纜(鋼絲繩)夾持單元設計等工作，研制了由T形結構試驗機基礎平臺及各種夾持單元組成的應急拖帶裝置強度試驗機。利用研制的試驗機進行了試驗負荷為2MN的某型艉部應急拖帶裝置的強度試驗，試驗結果證明了提出的應急拖帶裝置強度試驗方法可行，研制的試驗機結構合理、可靠性好、試驗精度高。

關鍵詞：應急拖帶裝置；強度試驗；試驗機；拖纜夾持單元

0引言

應急拖帶裝置是一套安裝在船艏及船艉的快速拖帶裝置，其作用是當船舶在發生意外或失去動力時，能夠快速、方便地連接到拖輪，并由拖輪將失事船舶拖離現場,從而減輕事故惡化的程度[1-3]。國際海事組織(IMO)通過的MSC.35(63)《關于油船應急拖帶裝置的指南》決議案(簡稱“決議”)、SOLAS《國際海上人命安全公約》96修正案均規定載重量不小于20 000t的液貨船，應在其艏艉兩端布置應急拖帶裝置[4-5]。

作為保障船舶航行安全的關鍵設備，應急拖帶裝置不僅需要通過相關船級社的型式認證，還應在出廠前進行整體強度試驗，以確保產品合格。雖然國內外一些公司成功研制了應急拖帶裝置并通過了船級社的型式認證[6-7]，但試驗研究的相關報道比較少見，對于應急拖帶裝置試驗方法及專用試驗機的研究還處于起步階段。

意大利POSIDONIA公司開發了應急拖帶裝置簡易型式試驗臺架，該臺架能夠實現在極限拖帶角度下對應急拖帶裝置主體進行強度試驗，但不能對止鏈器、帶纜樁等部件進行試驗，同時由于試驗空間有限，也無法進行應急拖帶裝置的出廠試驗。中國船舶工業物資華東有限公司編制了應急拖帶裝置試驗大綱，提出通過對拖纜、導纜孔等主要部件進行單元強度試驗的方式來等效驗證應急拖帶裝置強度。浙江大學研制了15MN錨鏈拉力試驗機[8]，Ridge等[9]采用3MN拉力試驗機對錨鏈進行了拉-扭復合試驗，Ridge等[10]采用3MN拉力試驗機對系泊拖纜試樣進行了拉力試驗。但上述試驗方法及試驗機均不能滿足應急拖帶裝置試驗時的特殊角度要求，同時也未考慮超長拖纜的試驗問題。

針對上述問題，本文提出了一種應急拖帶裝置強度試驗方法，按照型式試驗和出廠試驗的要求研制了一臺船舶應急拖帶裝置強度試驗機。該試驗機可以按照“決議”的要求在極限拖帶角度下對應急拖帶裝置進行強度試驗，也能對防擦鏈、拖纜、止鏈器等部件進行單元強度試驗，同時對被試拖纜、防擦鏈的長度沒有限制。利用新研制的試驗機開展了試驗負荷為2MN的某型應急拖帶裝置的強度試驗，獲得了其應力及位移曲線，取得了良好的試驗效果。

1應急拖帶裝置強度試驗方法研究

1.1應急拖帶裝置組成

根據安裝位置不同，應急拖帶裝置分為艏部應急拖帶裝置和艉部應急拖帶裝置，其典型布置示意圖見圖1?！皼Q議”規定拖纜的長度不小于2H+50m(H為艉部導纜裝置處的海上最輕壓載時的干舷高度)；防擦鏈為有檔鏈，其長度應從拖力點延伸至導纜孔以外至少3m。

圖1　應急拖帶裝置典型布置示意圖

1.2應急拖帶裝置強度試驗要求

決議規定，載重20 000～50 000t船舶配套應急拖帶裝置的安全工作負荷不低于1MN，載重量大于(或等于)50 000t船舶配套應急拖帶裝置的安全工作負荷不低于2MN，同時要求在所有可能的拖帶角度下，應急拖帶裝置均可承受不低于2倍的安全工作負荷。

英國勞氏船級社(LR)、德國勞氏船級社(GL)、日本船級社(NK)等各大船級社均根據“決議”制訂了相應的型式認證指南。例如，NK規定，應急拖帶裝置在進行強度試驗時，拖纜、防擦鏈、導纜孔及強力點等主要部件需按照典型布置要求進行布置，在橫向90°及向下30°的方向上對拖纜、防擦鏈施加2MN(載重20 000～50 000t)或4MN(載重量大于(或等于)50 000t)的試驗負荷，并保載1min以上，在試驗過程中任何部件不得出現破壞或明顯變形。

1.3強度試驗方法

普通構件的強度試驗通常是在直線方向上進行加載，而應急拖帶裝置的強度試驗則必須實現在橫向90°及向下30°的方向上進行加載(圖2)。如按照典型布置要求將導纜孔水平固定，則拉力平面與水平面間有30°夾角，此時試驗機必須采用空間結構，不僅結構復雜、試驗效率低，而且也不便進行防擦鏈、止鏈器等構件的單元強度試驗。針對上述缺陷，筆者提出在水平固定平臺和被試導纜孔間增加一個30°的過渡斜臺(圖3)，從而實現拉力平面整體旋轉30°并與水平面重合，此時試驗機即可采用常規的平面結構。

1.固定平臺　2.導纜孔　3.拖纜/防擦鏈圖2　典型應急拖帶裝置強度試驗布置示意圖

1.固定平臺　2.斜臺　3.導纜孔　4.拖纜/防擦鏈圖3　改進的應急拖帶裝置強度試驗布置示意圖

由于強力點(止鏈器、帶纜樁等)只受水平方向拉力，因此其是否按照典型布置要求與導纜孔及防擦鏈/拖纜同時進行試驗，對于試驗結果沒有任何影響。為進一步簡化試驗機結構，本文采用強力點單獨試驗的方案并設計了如下試驗流程。

(1)對強力點進行試驗。如圖4、圖5所示，調整固定平臺高度至合適位置，在其上固定被試止鏈器/帶纜樁，利用防擦鏈/拖纜在水平方向上對其施加試驗負荷F，保載1min或以上；試驗后檢查止鏈器/帶纜樁有無明顯變形。

1.固定平臺　2.止鏈器　3.防擦鏈圖4　止鏈器強度試驗示意圖

1.固定平臺　2.帶纜樁　3.拖纜圖5　帶纜樁強度試驗示意圖

(2)對導纜孔及防擦鏈/拖纜進行組合試驗。如圖3所示，調整固定平臺高度至合適位置，在平臺上安裝一個30°斜臺，在斜臺的斜面上固定被試導纜孔，將被試防擦鏈/拖纜水平穿過導纜孔并呈直角布置，對防擦鏈/拖纜施加試驗負荷F，保載1min或以上；試驗后檢查導纜孔及防擦鏈/拖纜有無明顯變形；當進行出廠試驗時，如無法一次對整根防擦鏈/拖纜進行試驗，則分段進行試驗。

2應急拖帶裝置強度試驗機設計

2.1總體設計

根據應急拖帶裝置的結構特點和前述試驗方法，并考慮試驗機的通用性[9-11]，筆者設計了圖6所示的T形結構試驗機基礎平臺。該平臺長33.25m，寬7.83m，最大試驗負荷12MN(進行應急拖帶裝置試驗時為4MN)，主體部分借鑒大型臥式拉力試驗機的結構；同時為便于進行防擦鏈、拖纜等超長構件的安裝與試驗，采用整體敞開、前后貫通的機身結構；在平臺機身及各個梁上預留了一系列卡槽、螺紋孔等連接接口，通過在其上安裝相應的夾持單元即可實現對不同對象的拉壓試驗。

1.機身　2.加載系統　3.鋼軌　4.防護網5.填塊　6.固定梁　7.側梁圖6　試驗機基礎平臺結構示意圖

加載系統安裝在機身前部，采用雙伺服油缸同步加載；機身內部地面上安裝2根平行鋼軌，用于承載各移動部件并減小摩擦力對測試結果的影響；固定梁通過行走機構的驅動在鋼軌上前后移動，當移動到所需位置時，由可伸縮的方銷實現與機身間的固定連接；T形機身的拐角處設有一缺口及相應的填塊，當進行應急拖帶裝置試驗時取下填塊，此時最大允許試驗力為4MN，反之需在缺口處安裝填塊，用以提高機身剛度，此時最大允許試驗力為12MN；在機身上部設有可移動防護網，用于保證試驗時的人員安全。

2.2機身設計

機身作為試驗力的主要承載部件，其強度和剛度的高低直接影響著試驗機的測試精度、精度穩定性及使用壽命等關鍵指標。對于超長、超寬的大型臥式拉力試驗機而言，傳統的框架式結構不僅成本很高，而且還存在著剛度不足，體積龐大等缺點[11-12]。朱本正[11]提出將框架式的水平機身埋入預設地坑并用混凝土進行整體澆筑，以提高測試平臺整體剛度的方法，但由于被試對象在反復加載時產生的交變載荷及拉斷時產生的沖擊載荷也會通過機身傳遞到混凝土中，有可能造成混凝土結構開裂、剝離，從而導致機身承載能力的下降，因此，本文設計了圖7、圖8所示的結構件-混凝土復合式機身。機身結構件部分主要由若干段長×寬為1250mm×120mm的Q345B鋼板組成，其上每隔900mm布置有2對長圓孔，并通過M24×500mm的地腳螺栓固定在整體澆筑的凹型C30混凝土中；機身上部設有由厚度為16mm鋼板焊接而成的矩形箱體。

圖7　機身結構件模型

圖8　復合機身澆筑后剖面圖

由于Q345B鋼板的彈性與韌性比較好，因此在彈性范圍內的反復拉壓不會導致機身結構的永久變形或破壞；而混凝土結構成本低廉、剛度高、抗壓性能好，但抗拉與抗沖擊性能差。本文設計的機身充分結合了兩者的優點，在試驗時產生的軸向拉壓力及試樣斷裂時產生的沖擊載荷均由機身結構件部分承擔，機身混凝土部分僅承受正壓力，主要用于提高機身縱向剛度，避免機身結構件部分受力后產生屈曲失穩現象。經計算，該結構機身和傳統的框架式結構機身相比，不僅縱向剛度提高4倍以上，而且減少了70%的鋼材使用量，降低了制造成本。

在進行拉壓試驗時，機身結構件會沿軸向伸長或縮短，如直接將其固定在混凝土中，則會在各固定點處產生較大的附加應力，長期使用會導致機身變形、混凝土開裂。如圖7、圖8所示，通過將機身上的地腳螺栓孔改為長×寬為68mm×60mm的孔，并在地腳螺栓與長圓孔間增加一壁厚為2.8mm，高度為h+0.2mm(h為長圓孔處的機身厚度)的過渡套，使得機身結構件在軸向相對于混凝土有8mm的滑移空間，從而消除了混凝土對機身結構件軸向變形的限制。

通過ABAQUS有限元分析可知，當機身承受12MN試驗載荷時，其上最大應力為191.8MPa，位于機身與固定梁連接處，在安全范圍內；機身軸向最大變形量為5.196mm，在設計的允許滑移范圍內。

2.3加載系統設計

如圖6所示，油缸座安裝在機身前部的凹槽中，兩個單作用伺服油缸水平安裝在油缸座中，油缸活塞桿通過法蘭與動力梁連接，動力梁通過4根拉桿帶動油缸座后部的活動梁運動。每個伺服油缸內徑為750mm，活塞桿直徑為500mm，最大伸出長度為2000mm，最大輸出推力為6MN。

電液伺服同步控制技術具有同步精度高、速度快等特點，故其在多缸同步加載系統中獲得了廣泛應用[13-14]。但對于大噸位同步加載系統而言，一旦同步系統出現故障，則有可能造成運動部件卡死，甚至整個設備損壞等嚴重后果[15]。為保證試驗機的長期可靠運行，本文設計了一種電液伺服同步控制和機械同步相結合的同步方案。

每個伺服油缸均由一個伺服閥單獨控制，根據選擇的閉環通道和預定的控制目標，通過外部反饋單元(位移傳感器、力傳感器)實時采集信號并反饋到對應的PID控制單元，以實現閉環控制。其中一個伺服油缸進行主動控制，用于快速逼近控制目標；另一個伺服油缸進行跟蹤控制，用于實現兩油缸間的精確同步。當電液伺服同步控制系統發生故障時，動力梁、活動梁會發生偏轉，造成梁的一側與機身接觸并產生擠壓，且擠壓力與梁的偏轉角度成正比。擠壓會造成機身變形，而變形又會進一步增大梁的偏轉角，如果機身剛度不足，則變形程度會不斷惡化，最終造成試驗機的損壞。

1.機身結構件(120.0 MPa)　2.機身混凝土(27.26 MPa)3.活塞桿(384.7 MPa)　4.機身結構件(0.61 mm)5.活塞桿1(14.32 mm)　6.活塞桿2(22.86 mm)7,8.加載工件(端部固定)圖9　加載系統有限元分析

如圖9所示，在動力梁與活動梁的左右兩側均安裝有導向滾輪，通過現場安裝調整使得梁與機身間的間隙控制在0.1～0.5mm之間。由于梁與機身間的間隙較小，故兩者剛接觸時的初始擠壓力較??；因機身縱向剛度較高，故不會出現機身變形不斷惡化的現象；導向滾輪與機身間為滾動摩擦，有效地避免了梁卡死的現象。如圖10所示，在最惡劣的不同步狀態下(一側油缸輸出推力為6MN，另一側為0)，加載系統受到的最大應力為384.7MPa，位于加載一側油缸活塞桿根部；機身結構件上受到的最大應力為120.2MPa，位于機身與動力梁滾輪的接觸部位；機身混凝土上受到的最大應力為27.76MPa；機身結構件上的最大變形為0.61mm，同樣位于上述接觸部位；兩油缸活塞桿伸出量的最大偏差為8.54mm。上述應力值均小于設計的許用應力值，證明了該同步方案的有效性。

2.4拖纜(鋼絲繩)夾持單元設計

GB/T8358-2006《鋼絲繩破斷拉伸試驗方法》規定鋼絲繩的夾持方法有澆鑄法、套壓法、纏繞法和直接夾持法四種。但上述方法只適用于對鋼絲繩試樣進行夾持，對于像拖纜這樣的超長、超粗鋼絲繩成品進行拉力試驗的夾持方法，目前研究還較少。本文設計了圖10所示的拖纜(鋼絲繩)夾持單元，拖纜在拉力卷筒上纏繞5圈以上，再由尾頭繩夾具直接夾緊，最后通過儲纜器進行收纜。儲纜器和拉力卷筒均由變頻電機通過減速器驅動，兩者配合同步旋轉可實現拖纜在夾持系統內的單向移動；拉力卷筒的一側還設置有8個等距銷孔，通過手柄和插銷可實現拉力卷筒在圓周方向的固定。

1，4.尾頭繩夾具　2，3.拉力卷筒　5.儲纜器圖10　拖纜(鋼絲繩)夾持單元

根據撓性體摩擦傳動理論，拖纜在卷筒上纏繞若干圈后，拉力衰減情況為[16]

T2=T1eμ α

(1)

式中,T1為拖纜通過卷筒前所受的拉力;T2為拖纜通過卷筒后所受的拉力;μ為拖纜與卷筒間的摩擦因數;α為拖纜在卷筒上的包角。

當對拖纜施加4MN試驗載荷時，如拖纜在卷筒上纏繞5圈，μ取0.15，則T2=35.93 kN。由于T2?T1，因此尾頭繩夾具只需要對拖纜施加不大的夾緊力即可實現夾持，且不會出現拖纜打滑或表面損傷等問題。

3試驗應用

根據上述方案研制的試驗機如圖11所示，經中國計量科學研究院檢定，其測試精度高于1%。利用該試驗機進行了試驗負荷為2MN的某型艉部應急拖帶裝置的強度試驗。

圖11　應急拖帶裝置強度試驗機實物圖

具體試驗流程如下：

(1)如圖12所示，在T形機身短邊和長邊拐角處的預留地坑中安裝升降平臺、30°斜臺及被測導纜孔；接著緊靠升降臺的前部布置固定梁，并通過方銷鎖緊在機身上；然后在側梁上安裝拉力卷筒1和尾頭繩夾具，在活動梁上安裝鋼絲繩擋塊；最后在機身端部的預留儲纜器座中安裝儲纜器。

1.升降平臺　2.30°斜臺3.被測導纜孔　4.拉力卷筒2圖12　試驗機局部實物圖1

(2)將待測拖纜放置在短邊機身的端部，取拖纜一端穿過尾頭繩夾具，并在拉力卷筒1上纏繞5圈(圖13)后，在儲纜器中的牽引繩的牽引下穿過導纜孔(圖12)及鋼絲繩擋塊，液壓缸驅動活動梁運動，實現對拖纜第一段的測試。

1.拉力卷筒1　2.側梁圖13　試驗機局部實物圖2

(3)從鋼絲繩擋塊中取出拖纜繩頭，在活動梁上安裝拉力卷筒2，并將拖纜繩頭固定在拉力卷筒上，驅動拉力卷筒1、2同步旋轉，直至拖纜在拉力卷筒2上纏繞5圈后停止，取下繩頭再次安裝到鋼絲繩擋塊中，液壓缸驅動活動梁運動，實現對拖纜第二段的測試。

(4)拆下鋼絲繩擋塊，并在活動梁上安裝尾頭繩夾具，由儲纜器中的牽引繩牽引拖纜繩頭，驅動拉力卷筒1、2及儲纜器同步旋轉，直至已測試過的拖纜不在拉力卷筒1、2之間時停止，液壓缸驅動活動梁運動，實現對拖纜第三段的測試。

(5)根據拖纜長度，反復按照步驟(4)進行拖纜中間段的測試。

(6)拆下側梁上的尾頭繩夾具和拉力卷筒1，更換成鋼絲繩擋塊，并將拖纜繩尾固定在鋼絲繩擋塊中，液壓缸驅動活動梁運動，實現對拖纜最后一段的測試。

(7)在上述每一步驟試驗完成后，檢查拖纜和導纜孔是否有損壞或明顯變形。

圖14為拖纜中間某一段(直徑φ66mm，長約20m)的拉力試驗曲線。

(a)位移-時間曲線

(b)力-時間曲線

(c)力-位移曲線圖14　拖纜中間段拉力試驗曲線

從圖14中可以看出，當拉力低于100kN時，拖纜伸長速率較快，這是由于拖纜在拉緊過程中會與拉力卷筒間產生少量的滑移；當拉力高于100kN時，由于拖纜已經完全繃緊，其伸長速率趨于平緩；隨著拉力的進一步增大，拖纜內部處于螺旋交織狀態的各股鋼絲會產生扭轉、擠壓現象，導致拖纜的總體剛度有輕微的增大；同時拖纜在加卸載過程中由于內部各股鋼絲之間的相互摩擦，故使得曲線呈現明顯的滯回現象。經計算，該段拖纜在承受2MN試驗載荷時的伸長量約為280mm，對應伸長率為1.4%。試驗完成后人工檢查拖纜及導纜孔均沒有明顯的變形或破壞，表明該應艉部急拖帶裝置強度試驗合格。

4結論

(1)研究了應急拖帶裝置強度試驗方法，提出了在水平固定平臺和被試導纜孔間增加過渡斜臺以實現拉力平面整體翻轉并與水平面重合，及將強力點單獨試驗的方案，并據此設計了相應的試驗流程。

(2)研制了由T形結構試驗機基礎平臺及各種夾持單元組成的應急拖帶裝置強度試驗機，進行了試驗機總體設計、結構件-混凝土復合式機身設計、雙缸同步加載系統設計、拖纜(鋼絲繩)夾持單元設計，該試驗機不僅可對應急拖帶裝置進行型式試驗及出廠試驗，而且還有較好的通用性，此外還具有成本低、可靠性好、精度穩定性高等特點。

(3)進行了試驗負荷為2MN的某型艉部應急拖帶裝置的強度試驗，試驗過程證明了設計的試驗方法可行、研制的試驗機結構合理，試驗結果表明隨著拉力的增大，拖纜的總體剛度有輕微的增大；拖纜在加卸載過程中存在明顯的滯回現象，試驗完成后拖纜及導纜孔均沒有明顯的變形或破壞，說明該應急拖帶裝置強度符合要求。

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(編輯王艷麗)

DevelopmentofStrengthTestMachineforMarineEmergencyTowingArrangements

SuShijie1,2YouYoupeng1TangWenxian2LiCunjun3

1.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing， 210016 2.JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang，Jiangsu，212003 3.ZhoushanInstituteofCalibrationandTestingforQualityandTechnologySupervision,Zhoushan，Zhejiang， 316021

Abstract：A test method of strength test for emergency towing arrangements was presented herein. In order to simplify the structure of test machine, the fairlead and towing pennant/chafing chain were rotated 30 degrees, so that the tensile plane was horizontal, and the strong point was tested separately, then the test procedure was presented. According to the test method, type test and factory test criteria, the work such as total design,steel-concrete composite body design, synchronous loading system design and towing pennant holding fixture design were completed. The strength test machine was developed, which consisted of the T type base platform and various holding fixtures. Using the test machine, strength test of a 2MN type aft emergency towing arrangements we carried out. The practices show that the test method is feasible, and the test machine has some features such as reasonable structure, good reliability and high precision, etc.

Key words：emergency towing arrangement; strength test; testing machine; towing pennant holding fixture

收稿日期：2015-04-27

基金項目：國家質量監督檢驗檢疫總局質檢公益性行業科研專項(201310111)；江蘇省產學研聯合創新資金——前瞻性聯合研究項目(BY2013066-05)

中圖分類號：TH871

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.04.006

作者簡介：蘇世杰，男，1981年生。南京航空航天大學機電學院博士研究生，江蘇科技大學機械工程學院副教授。主要研究方向為海洋工程裝備結構設計及測控系統開發。發表論文10余篇。游有鵬，男，1960年生。南京航空航天大學機電學院教授。唐文獻，男，1962年生。江蘇科技大學機械工程學院教授。李存軍，男，1966年生。舟山市質量技術監督檢測研究院高級工程師。