一種高速電纜牽引絞車結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

李艷春，張 雷，白 宗,楊龍霞

（1.武漢船用機械有限責(zé)任公司，武漢 430084；2.中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

0 引言

海洋科考船是用于海洋科學(xué)調(diào)查、資源調(diào)查及地質(zhì)勘探測量的船舶。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和海洋戰(zhàn)略權(quán)益維護需要，國內(nèi)科考船的建造和配套越來越重要[1-3]。物探科考用高速電纜絞車系統(tǒng)是科考船上的關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)之一，主要用于下放和回收勘測儀器，目前國內(nèi)建造的科考船配套的高速電纜絞車系統(tǒng)主要依賴國外進口，為打破國外相關(guān)產(chǎn)品的壟斷地位，高速電纜絞車系統(tǒng)國產(chǎn)化問題尤為重要。本文對一種國產(chǎn)化高速電纜絞車系統(tǒng)的牽引絞車進行力學(xué)分析校核，驗證了牽引結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 工況分析

1.1 牽引絞車功能介紹

科考船作業(yè)時，科考用光電復(fù)合電纜兩端分別與水下探測儀、電纜絞車系統(tǒng)聯(lián)接。通過安裝在科考船甲板上的電纜絞車系統(tǒng)下放水下探測儀，當(dāng)水下探測儀達到水下3 000 m后，電纜絞車通過牽引絞車拖曳作業(yè)，當(dāng)作業(yè)完成后，高速回收水下探測儀。

1.2 牽引絞車受力計算

牽引絞車滾筒受力如圖1所示，進纜力15 000 N在每個滾筒上纏繞的180°范圍內(nèi)以歐拉形式遞增，摩擦系數(shù)0.15，遞增至150 000 N時就以恒定值纏繞[4-6]。各個槽上的拉力為

力分解到每一圈的分布情況如圖2所示。

圖1 滾筒受力示意圖

圖2 滾筒每一圈的受力

2 牽引絞車靜力學(xué)計算

2.1 材料定義

滾筒體的材料為Q345R；屈服強度為345 MPa；安全系數(shù)0.4（滿足船級社規(guī)范要求）；許用應(yīng)力為138 MPa；材料密度為7.85×10-6kg/mm3；彈性模量為2×105MPa；泊松比為0.3。

2.2 計算模型離散化

將三維模型導(dǎo)入在WORKBENCH中（圖3），使用實體-殼單元“SOLSH190”來模擬滾筒的筋板結(jié)構(gòu)，用實體單元“SOLID186”來模擬主軸結(jié)構(gòu)。單元尺寸為35 mm，單元數(shù)量為124 458，網(wǎng)格數(shù)量為196 099[7]。

圖3 牽引絞車有限元模型

2.3 約束和載荷計算

邊界條件：

1）絞車底座以螺栓連接在甲板的機座上。

2）螺栓與底座摩擦接觸，底座與甲板摩擦接觸。

3）絞車軸與軸承座球鉸連接。減速機連接過渡筒和機架，減速機驅(qū)動部分與被驅(qū)動部分設(shè)定為轉(zhuǎn)動副。

4）減速機被驅(qū)動部分約束轉(zhuǎn)動自由度，以平衡未抵消的扭矩。其余部分綁定接觸[8]。約束條件如圖4所示。各部分連接示意圖如圖5所示。

圖4 牽引絞車邊界條件示意圖

牽引絞車的載荷為15 kN牽引絞車按照單層，歐拉方式進行加載。在額定工況中鋼絲繩拉力T=15 kN。該拉力對滾筒的作用為歐拉正壓力和摩擦力[4-6]。

圖5 牽引絞車各部分連接示意圖

進繩端正壓力和線摩擦力為

經(jīng)計算滾筒一上的扭矩為48 467 020 Nmm，滾筒體二上的扭矩29 967 980。由于減速機內(nèi)部為對稱布置的3個行星輪，所以減速機部分的扭力為

由于是對稱布置，經(jīng)計算，附加徑向力為 0。螺栓連接的預(yù)緊力115 kN。

牽引絞車載荷如圖6所示。

圖6 牽引絞車載荷（隱藏螺栓預(yù)緊力）

2.4 有限元計算

有限元方程如式(1)，根據(jù)有限元方程，得出節(jié)點位移，進而計算結(jié)構(gòu)不同單元的應(yīng)力與應(yīng)變。

采用第四強度理論進行校核，米賽斯等效應(yīng)力（Von-Mises）即σeqv應(yīng)當(dāng)滿足以下條件：

式中：σeqv為等效應(yīng)力；σ1、σ2和σ3分別為第1、2、3主應(yīng)力；[σ]為許用應(yīng)力強度[7]。

線性結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性一般用結(jié)構(gòu)的屈曲來衡量，根據(jù)線性屈曲方程：

式中：[S]為應(yīng)力剛度矩陣；λ是常數(shù)；ψ是屈曲模態(tài)的形狀系數(shù)。

進行特征值方法求解，得到屈曲載荷乘子λi和屈曲模態(tài)ψi[8-9]。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 牽引絞車強度分析

牽引絞車的應(yīng)力分布如圖7～圖9所示。牽引絞車綜合應(yīng)力為187.6 MPa,為表層局部應(yīng)力集中，周圍應(yīng)力160 MPa左右，區(qū)域很小；筒體應(yīng)力85.87 MPa，強度滿足；軸承座最大應(yīng)力169.25 MPa，為螺栓孔處應(yīng)力集中，周圍應(yīng)力140 MPa左右，區(qū)域很小，為螺栓預(yù)應(yīng)力引起，不影響使用。結(jié)果表明，牽引絞車結(jié)構(gòu)部分絕大部分的強度均小于相應(yīng)材料的許用應(yīng)力，應(yīng)力集中區(qū)域很小，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，應(yīng)力集中區(qū)域的強度滿足要求。

圖7 牽引絞車綜合應(yīng)力云圖

圖8 滾筒體應(yīng)力云圖

圖9 牽引絞車支架應(yīng)力云圖

3.2 導(dǎo)向滑輪靜剛度及穩(wěn)定性分析

牽引絞車滾筒最大變形為0.954 mm，減速機安裝處最大位移為 0.274 mm。根據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定[10]。不影響減速機的運行，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。結(jié)構(gòu)一階屈曲系數(shù)23.98，為側(cè)板局部屈曲，一階屈曲系數(shù)很大，穩(wěn)定性很好。

圖10 導(dǎo)向滑輪綜合變形云圖

圖11 牽引絞車結(jié)構(gòu)屈曲

4 結(jié)論

通過對分析牽引絞車實際工況分析，結(jié)果表明，絞車結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性均滿足要求。該牽引絞車靜強度和穩(wěn)定性存在一定的余量，結(jié)構(gòu)有一定的優(yōu)化空間。后續(xù)系列化過程中將近一步對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。