絞吸挖泥船絞刀長軸系軸承支反力計算方法研究

林 挺

（上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海200030）

0 前言

在近十幾年中，通過學習分析國外先進疏浚船舶的相關動態與資料，結合研究成果及應用經驗，國內高校及科研機構、船廠合作研發了一系列大型絞吸挖泥船，使我國在絞吸挖泥船及配套設備的研發上取得明顯進步，正逐步打破外國的技術壟斷。配套疏浚裝備研制，是絞吸挖泥船制造的核心技術，而絞刀軸系作為絞吸挖泥船挖掘系統的核心裝備之一，其技術的重要性不言而喻[1]，必然成為行業技術研究的主要對象。在實際應用中，由于惡劣的施工環境及復雜的工況，為絞刀提供直接動力的絞刀軸系承受著巨大的工作載荷，其運行狀態決定絞刀的工作效率，最終影響工程成本，因此，對絞刀軸系的研究成為絞吸挖泥船制造、使用、管理的主要課題之一。

本文主要對絞吸挖泥船絞刀架及安裝在絞刀架上的絞刀長軸系進行系統性分析，研究如何計算絞刀長軸系軸承的受力，為絞刀長軸系的校中計算、安裝調試提供依據。

1 絞刀架和絞刀軸系

絞刀架位于絞吸挖泥船船體凹槽內，一端鉸接在主船體上，另一端通過起橋滑輪和起橋鋼絲繩懸掛在龍門架上。由于有橫向力的作用，所以絞吸挖泥船的絞刀架必須具有一定的剛度，大型絞吸挖泥船往往使用雙箱梁結構，并通過縱向與橫向的連接予以加固。絞刀軸系安裝于絞刀架上，是絞吸挖泥船的重要組成部分，其主要功能是將動力源輸出的動力穩定、高效地傳遞到頭部機械式絞刀，達到驅動絞刀對土層進行切削作業的目的。絞刀軸系按軸系長度不同，可分為短軸式絞刀軸系及多支承長軸式絞刀軸系（簡稱絞刀長軸系）。

絞刀長軸系通過多個中間軸承支撐于絞刀架頂部，從齒輪箱輸出端到絞刀之間的傳動軸由多段軸連接而成；傳動軸穿過絞刀架首部結構的絞刀軸承與絞刀相連（如圖1所示）。該類型絞刀軸系，通常尾部以電機作為動力源，通過齒輪箱、多段支撐于滑動軸承箱的傳動軸，傳遞扭矩驅動絞刀進行作業。

圖1 絞刀長軸系布置圖

2 絞刀軸系有限元法校中計算

根據《船舶軸系校中原理及其應用》一書中描述的理論，在應用有限元法中的位移法對軸系進行校中計算時，先將呈平面彎曲的軸系劃分成為若干個有限的梁段每一段梁段都是等截面的，稱之為一個單元。單元與單元的連接點，稱為節點。然后求出每一個單元的剛度矩陣，把全部單元的剛度矩陣分割并按一定規律組合，則可以得到結構軸系的剛度矩陣，結合軸系結構受力和約束條件等邊界條件，可以求出作用在每一個節點上的集中力，彎矩及轉角。因此，應用位移法應該先求解出各個節點上的位移，再按照位移求出指定截面上的剪力，彎矩及軸承載荷。為此，應該按照軸系校中的約束條件對結構剛度矩陣進行處理，才可以進行求解。約束條件是指對結構（軸系）的某些節點的位移進行必要的限制[2]。

結合上述軸系有限元法校中原理，絞刀軸系通常以合理校中作為校中原理，采用有限元法進行校中計算。當軸系進行合理校中時，軸系各軸承沿垂直于軸線向方向產生位移，這時則按照各軸承的合理位移值為約束條件對結構剛度矩陣進行處理，從而求出軸系合理校中時的制定軸截面的撓度、轉角、剪力、彎矩及軸承負荷[3]。為此，分析及計算各軸承處的支反力是校中計算的必要條件。

由于軸系結構的剛度矩陣的生成是一個十分復雜的過程，需要大量的數學計算。所以，在按有限元法進行軸系校中計算時，利用MSC.PATRAN軟件中自動生成剛度矩陣的功能，快速，準確，方便的將軸系結構的剛度矩陣生成并解出結果[4]。

3 絞刀架受力分析與計算

絞吸挖泥船的施工過程中，絞刀架繞根部的鉸軸轉動，使絞刀在最小挖深至最大挖深之間工作。因此，研究人員需選取絞刀架水平懸吊狀態、最小挖深的工作狀態、最大挖深的工作狀態、最小挖深的放置狀態、最大挖深的放置狀態等五種工況來進行分析。其中，工作狀態下的絞刀架受到了絞刀切削反力、橫移鋼絲繩牽引力、絞刀架和設備自身重量等三部分工作載荷；而懸吊和放置狀態下則只把絞刀架和設備自身重量作為計算參數（絞刀架受力如圖2所示）。

圖2 絞刀架受力示意圖

由上文描述，可以知道要計算安裝在絞刀架上的絞刀長軸系的各個軸承支反力，除了需要確定絞刀的工作載荷之外，還必須計算出絞刀長軸系各軸承位移的具體數值。因此，研究人員首先需要對絞刀架各種狀態下的受力情況進行分析計算，并通過建立絞刀架有限元模型，將各工況絞刀架工作載荷加載到絞刀架有限元模型中，進而算出絞刀長軸系各軸承位移量。

絞刀架結構的有限元數值模型選用板單元和梁單元兩種單位進行組合，采用組合模型的方式建模。其中，絞刀架結構板材、強橫梁以及縱桁板材的腹板均采用兩種板單元來模擬（三節點和四節點）；縱桁板材和肘板的面板、絞刀軸系則采用梁單元（兩節點）來模擬。關于絞刀架各種載荷的施加，則通過多點約束MPC（Multi-point constraints）作用到絞刀架相應的結構上。例如，絞刀架疏浚設備的慣性力通過將集中質量單元設置在質心，并將該集中質量單元通過MPC傳到安裝底座上；絞刀架兩側橫移滑輪和首部絞刀的作用力，則同樣通過MPC將這兩作用力分別設置在兩獨立節點上（絞刀架整體結構有限元模型見圖3）。由于篇幅有限，因此本文以某型絞吸挖泥船絞刀架最小挖深工作狀態為例，將絞刀架在各個工況下工作載荷轉化為節點力加載在對應的節點上，對絞刀架整體結構的有限元模型進行了強度分析（描述應力和位移計算情況如圖 4、5、6）。

圖3 絞刀架整體有限元模型

圖4 絞刀架整體應力圖

圖5 絞刀架整體（除絞刀軸外）位移圖

圖6 絞刀軸位移圖

由此可得到該型絞吸挖泥船絞刀架最小挖深工作狀態時，絞刀軸各個節點的位移量（如表1），為下一步計算絞刀長軸系各軸承處的支反力做準備。

表1 工況2的絞刀長軸系各軸承在各方向分量上的位移

4 絞刀長軸系各軸承受力分析與計算

為了計算絞刀長軸系各軸承處的支反力，先將絞刀長軸系有限元模型從絞刀架整體模型中獨立出來，然后分各種工況（如表2），將上一步通過絞刀架受力分析計算出的各軸承處位移量和絞刀工作載荷分別加載到絞刀長軸系有限元模型中，絞刀質量以集中質量的形式建立在有限元模型中，則可計算出此時各軸承的支反力。

表2 絞刀長軸系模型邊界條件及載荷

其中，絞刀處的反力F可以從絞刀架有限元分析的模型中獲得。圖7、圖8表示了絞刀軸所受到的強迫位移及載荷：

圖7 絞刀軸所受約束及載荷示意圖（工作狀態）

圖8 絞刀軸所受約束及載荷示意圖（放置狀態）

該型絞吸挖泥船絞刀架最小挖深工作狀態時，計算得各軸承的反力如表3所示。

表3 絞刀長軸系各軸承在各工況下相對于6米水深工作狀態的支反力（N）

5 結束語

本文首先對絞吸挖泥船絞刀架及絞刀軸系在工作狀態下的受力情況進行分析計算，并建立一套可較為準確地模擬絞刀架系統實際工況的有限元模型；其次，將絞刀架各種狀態下的工作載荷加載至絞刀架有限元模型，計算出絞刀長軸系各軸承在各工況下的位移量；最后，將各軸承處強迫位移和絞刀工作載荷分別加載到絞刀長軸系有限元模型中，形成了絞刀長軸系校中各軸承處受力的分析與計算方法。

絞刀長軸系中各個軸承的受力的計算是一個較為復雜的課題，因為它不僅涉及到整艘絞吸挖泥船的作業方式，而且需要考慮絞刀架結構的工作變形、絞刀工作載荷、橫移系統的受力分析以及不可確定的環境因素等多方面問題。因此本文提出的數值模擬方法出于研究探索的目的，剔除一些復雜多變的因素，將計算方法做了簡化，其計算結果難免會有所偏差。因此，關于絞刀軸系仍有許多課題需要去研究。