履帶式近海快艇運移平臺的創新設計

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(1.中國石油大學(華東) 機電工程學院，山東 青島 266580；2.海洋物探及勘探設備國家工程實驗室，山東 青島 266580；3.渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦 124010)①

隨著近岸海域作業規模的不斷擴大，安全高效地轉移水陸人員及物資問題在近海工程領域顯得尤為重要。近海快艇作為海洋石油裝備的配套設備是進行人員及物資輸送的有力保障[1-2]。

目前，國內外用于快艇系泊的主要設備是近海碼頭或鋼制小平臺，機動靈活性差，作業效率低。且在面對沿海地區周期性災害(如滸苔)時無法實現轉移作業，安全保障性差。因此，設計安全可靠、機械化程度高的履帶式近海快艇運移平臺具有非常重要的意義。

1 基于TRIZ理論的運移平臺設計

1.1 問題分析與創新方案

傳統的快艇系泊主要通過岸灘系泊或鋼制小平臺(如圖1)實現的。該運輸方式存在以下問題：①安全穩定系數低，抗海浪能力差；②物體長度體積龐大，不具備機動性能；③環境適應性能力差。

圖1 傳統鋼制快艇系泊平臺

TRIZ理論是基于知識的、面向人的發明問題，解決理論和系統化的方法學。其思路是將具體問題轉換為TRIZ問題，通過TRIZ體系中理論和工具方法獲得通用解。然后將TRIZ通用解轉化為具體問題的解，并在實際問題中加以實現，從而獲得問題的解決[3-6]。

針對實際問題，提出一種機械運移平臺創新設計理念，即履帶式運移平臺。基于TRIZ理論，首先確定該設計理念在設計過程中的技術沖突：

1) 應改善的工程參數——運動物體的長度(No.4)，運動物體的體積(No.7)，可靠性(No.27)，自動化程度(No.35)。

2) 惡化的工程參數——可制造性(No.32)，系統的復雜性(No.36)，控制和測量的復雜性(No.37)。

查閱阿奇舒勒矛盾矩陣[7]，得到相應發明創新原理，綜合分析實際工況及系統效率，選取1、13、17、29等4條原理解決上述問題，并提出相應的創新設計方案，如表1所示。

表1 選用的發明原理

基于上述選取的發明原理，對傳統普通鋼制平臺提出創新方案設計。①空間維數變化原理：用以解決傳統平臺長度過長問題。根據該原理將二維平臺變為三維鋼制結構，實現快艇與平臺升降銜接；②反向作用原理：用以保證設備發生故障時的應急處置措施。根據該原理采用應急輪升降方式以實現設備整體舉升，克服履帶驅動失效下陷停車情況；③氣壓和液壓結構原理：用以解決機械設備體積龐大，傳動機構空間占用比高等問題。根據該原理采用液壓傳動，操縱簡單，便于實現傳動機構緊密布置；④模塊化：用以提高設備的自動化程度。根據該原理在設計過程中采用模塊化設計以滿足系統不同需求。

1.2 整機結構

綜合考慮上述創新方案，設計了履帶式近海快艇運移平臺，主要由履帶驅動總成、應急升降輪、起升系統總成、主支承框架、動力操作系統等模塊組成。通過整體模塊化設計，實現整機前進、轉向以及爬坡。如圖2所示。

1—動力操作系統；2—履帶驅動總成；3—應急升降輪；4—鋼絲繩；5—主支承框架；6—起升框架。
圖2 履帶式近海快艇運移平臺結構示意

1.3 運移平臺基本參數

行走方式 履帶式

外形尺寸 10 380 mm×5 300 mm×5 800 mm

行走速度 3.2～6 km/h

最大離岸距離 100 m

最大吃水深度 3 m

最大載質量 7 110 kg

最大牽引力 229 kN

爬坡角度 ≤22°

起升速度 10 m/min

2 工作原理與計算分析

2.1 工作原理

履帶式近海快艇運移平臺作為一種特殊工程車輛，其行走過程基本與履帶挖掘機相仿，都是采用液壓馬達驅動履帶實現沙灘淺海行走。運移平臺主機機架上安裝有R6105IZLD型柴油機、用于整機行走的液壓系統、用于應急輪升降的液壓系統、用于起升框架升降的液壓系統、操縱座椅等。主支承框架與起升框架為鋼制焊接結構(如圖3)。起升框架嵌于主支承框架內，通過4個滑動導槽約束自由度，保證只能進行上下方向相對滑動；起升框架由左右各2根對稱鋼絲繩拴結，鋼絲繩通過滑輪組變向固定到一側液壓缸活塞桿上，如圖4所示。應急輪安裝于主支承框架矩形鋼立柱內部的活動柱塞上，柱塞與應急液壓系統液壓缸活塞連接。考慮海上工程結構物腐蝕問題，在底盤部分位置裝有防護鋅塊。

圖3 主支承框架和起升框架

圖4 鋼絲繩起升機構

當整機行駛到海中時，首先確保整機入水中深度大于快艇吃水深度。快艇駛入起升框架，然后用于起升框架升降的液壓系統工作，活塞桿帶動4根鋼絲繩運動，起升框架裝載快艇起升，直至快艇與平臺對接，進行人員物資交替轉移；下放起升框架，使快艇浮于水面，倒車駛出平臺。運移平臺駛回陸地，進行人員物資轉接工作。當運移平臺處于淺海故障停車時，應急輪升降機構工作，支撐整個運移平臺使履帶離開海底地面，可通過外加力作用使平臺拖回陸地返修。

2.2 計算分析

2.2.1整機質量質心

通過整機建模分析，履帶式近海快艇運移平臺滿載整機質量為

m=m0+m1+m2=32 000

(1)

式中：m0為設備質量，取26 000 kg；m1為滿載時人員物資質量，取2 500 kg；m2為快艇質量，取3 500 kg。

履帶式近海快艇運移平臺在空載與滿載時質心位置改變較大，參考GB/T 3871.15―2006，要求對運移平臺質心位置進行計算。空載時，質心至后支承點的距離A0=1 700 mm，質心至前支承點的距離B=1 050 mm，質心至地面的距離h0=950 mm；滿載時，質心至后支承點的距離A0=950 mm，質心至前支承點的距離B=1 800 mm，質心至地面的距離h0=640 mm。

2.2.2穩定性計算

為保證運移平臺在水陸地表行駛時具有良好的穩定性能，需要對不同作業工況下的整機穩定性進行計算。保證運移平臺爬坡時不縱向翻傾的條件為

A0/h0>δ=0.7

(2)

式中：δ為滑轉率。

空載時，A0/h0=1.79>0.7；滿載時，A0/h0=1.48>0.7。因此，整機滿足爬坡時不縱向翻傾條件。

保證運移平臺在無橫向坡度轉彎時，不橫向翻傾的條件為

a/2h>δ=0.7

(3)

式中：a為軌距，取4 000 mm。

空載時，h0=950 mm，a/2h0=2.10>0.7；滿載時，h0=640mm，a/2h0=3.125>0.7。因此，運移平臺在空、滿載運行中均能滿足無橫向坡度轉彎時不橫向翻傾的條件，整機穩定性良好。

2.2.3接地比壓

參照GB/T 7586―2008，運移平臺本身的重力大，容易陷入松軟的土地中，利用履帶后增大了與地面的接觸面積，減小了應力。

(4)

式中：Ea為接地比壓，MPa；L為履帶接地長度，取2 800 mm；gn為標準重力加速度，取9.8 m/s2；b為履帶板寬，取600 mm。

則：Ea=0.093 MPa。

2.2.4極限坡度運行時所需驅動力[8-9]

Fd=G(sinα+fcosα)

(5)

式中：Fd為運移平臺爬坡行駛時所需的驅動力,N；α為坡度角，近海一般極限坡度角約為15°；f為滾動阻力系數，取值0.1；G為整機重力，取滿載狀態320 kN。

Fd=111.5 kN，符合最大驅動力范圍。

2.2.5發動機匹配

根據GB/T 1147.1—2007進行計算。

履帶式游艇運移平臺配套用R6105IZLD型柴油機，標定功率為132 kW，轉速為1 800 r/min。最高設計車速vmax=1.67 m/s，所需功率為

(6)

根據柴油機全負荷速度特性，最大轉矩點的低速檔行車速度va=0.89m/s。選用va=0.89 m/s，最大爬坡度為15°時，所需功率為

(7)

式中：Pf為滾動阻力消耗的功率；Pw為空氣阻力消耗的功率；Pi為坡度阻力消耗的功率；η為傳動效率系數，取0.82；Cd為空氣阻力系數，取值0.9；ρ為空氣密度，取1.29kg/m3m3；A為拖拉機前進方向迎風面積，取8 m2；va為拖拉機取低擋速度，取值4 km/h；imax為最大爬坡坡度，取tan15°。

經計算，履帶式游艇運移平臺滿載時以最高時速行駛所需功率和低檔速度爬15°坡時，所需功率為34.06 kW和122.54 kW，均小于R6105IZLD柴油機的標定功率132 kW，并有一定功率儲備，故滿足設計要求。

2.2.6犧牲陽極質量計算

為防止鋼質運移平臺被海水腐蝕，采用犧牲陽極防腐方法，參考《海洋平臺建造說明書》對犧牲陽極的建造規定，根據犧牲陽極的理論公式[10]計算所需陽極總質量為

Q=ISH/η1K

(8)

式中：Q為設計所需陽極總質量，kg；I為設計的保護電流密度，A/m2；S為所需保護的面積，m2；H為設計所需保護時間，h；η1為陽極電流效率；K為所選犧牲陽極的理論發電量，(A·h)/g。

初始設定防腐設計期限為8年。以運移平臺水線下面積25 m2，設計保護電路密度15 mA/m2，鋅塊理論發電量2(A·h)/g，鋅塊電流效率為0.85來計算，求出理論所需要的陽極的總質量為15.46 kg。以每塊質量1.3 kg計算，共需12塊。

3 樣機試制與試驗

完成運移平臺結構設計及優化后，試制樣機如圖5所示。為驗證整機可靠性與操作性，在青島金沙灘試驗場進行淺海試驗。陸上試驗場地表土壤為細密沙土，隨著下海深入，變為較為平整的巖礁。對樣機進行滿載與空載運行測試，測試結果表明，整機運行平穩，結構穩定，能按預期作業起升快艇、高效轉移人員物資，達到設計要求。

圖5 樣機

4 結語

針對海洋工程領域快艇、人員和物資高效轉移的問題，基于TRIZ創新設計理論，設計了一種履帶式近海快艇運移平臺。為高效安全實現快艇與平臺對接，設計中采用履帶行走方式，實現平臺入海功能。采用起升快艇的方式達到人員物資轉移的目的，并對整機故障情況進行了應急方案設計。試驗證明整機機動性能好，運行平穩，可靠性高，環境適應性強，可以滿足近海人員物資的高效安全轉移。

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