12方鋼索抓斗挖泥船定位樁系統的研制*

吳平平，孫長林

（廣東精銦海洋工程股份有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

長江航道工程局12方（普通標準斗50方）鋼索式抓斗挖泥船由兩套固定定位樁（工作樁）裝置，一套移船定位樁（行走樁）裝置以及驅動控制系統組成。升降裝置作為挖泥船的核心，其性能對挖泥船的工作效率具有較高的影響。

現階段可升降的船只的升降單元多采用齒輪齒條式、液壓頂升式升降和攬繩牽引式，對于齒輪齒條式升降單元[12]，其潤滑條件差，制造和維護成本高，當載荷較大時，需要采用大模數齒輪，對于加工較為困難。發生斷齒時，需報廢整個齒輪更換新齒輪，因此制造和維護費用高；對于液壓頂升式升降單元，其需要多個液壓缸按照對應工步配合才能實現工作，控制較為繁雜，需要的管路元件較多，對油液清潔度也有要求。

相對比3種升降方式而言，齒輪齒條的工作性能較好，本文12方鋼索式抓斗挖泥船采用與齒輪齒條相類似的銷輪齒條式升降，此升降方式兼顧了齒輪齒條的優點，只要控制輸入端電機的轉速，即可使升降單元平穩連續升降。同時，銷輪齒條是以銷輪代替齒輪，減少了切齒、磨齒、齒面硬化等加工環節，降低了制造成本。在銷輪銷軸磨損或斷裂時，只要更換單個銷輪的銷軸銷套，因此維護成本低。

由于銷輪齒條升降方式是利用銷輪與齒條嚙合傳遞動力，國內使用銷輪齒條機構的不多，可追溯到1992年用于煤礦上[1]，對銷齒的齒條嚙合進行了運動特性分析。對于銷輪齒條沒有較為規范的設計方法，但對于銷輪齒條機構的研究已經有一些文獻可查閱。趙勇[2]采用了齒輪齒條為升降核心的浮動定位樁機構設計，通過液壓系統驅動齒輪齒條達到升降效果。季勇志[3]對絞吸船定位樁抗沖擊能力進行了研究，結論表明，大力開展柔性定位樁的開發和研制工作，可進一步提高絞吸船定位樁的抗風浪沖擊能力，其為12方鋼索式抓斗挖泥船的結構設計提供了一定參考。劉洪波等[4]對于升降系統的升降核心類型做了詳細介紹，并對定位樁升降裝置進行了研究分析。李楠[6]將銷輪銷齒傳動技術運用于臂式斗輪機上。季湘嵐等[5]結合三樁定位反鏟挖泥船的作業特點，分析三樁定位的反鏟挖泥船環境載荷和作業載荷計算方法，建立在環境載荷和工作載荷共同作用下挖泥船三根鋼樁的載荷計算模型，為反鏟挖泥船設計制造提供載荷計算方法。對本文所采用的定位樁布置具有一定的參考。孫寶錄等[7]分析銷齒傳動的應用，并分析了銷齒傳動的工作原理，解釋了銷齒嚙合時的齒廓計算，并給出了重合度計算公式，利用其對銷齒的計算公式，可以相似地推理出齒條的強度計算方法，對于設計銷輪齒條齒廓線具有參考價值。曾星[8]對于銷齒傳動齒廓曲線進行解析計算法。普通銷齒傳動，在節點附近曲率半徑較小，根據赫芝理論，與銷齒輪嚙合時產生較大接觸應力，成為該機構點蝕和磨損的主要原因。為解決這一問題，應充分利用漸開線和擺線齒廓的各自優點——即節圓附近工作段采用漸開線和其他部分為擺線，優化設計構造一種綜合性能優良的漸開線——擺線復合齒廓的銷齒傳動，對于銷輪齒條的齒廓線的設計具有一定的參考價值。吳林、張蕓、張鵬、鮑兵兵等[9-10]對銷輪齒條傳動升降裝置進行了探討和研究，可為海上平臺升降系統的進一步發展提供參考思路。

雖然前人做了大量的銷輪齒條的理論研究，但在應用階段產品較少，文本充分參考研究理論基礎，將銷輪齒條機構運用于12方鋼索式挖泥船定位樁系統升降單元中，但在同類產品中其使用甚少，且在實際使用中設備受到環境因素的影響，為了使其在使用中具有較高的可靠性，本文參考其他產品的定位樁挖泥船設計經驗，基于12方鋼索式挖泥船定位樁系統各個部件的設計結構參數，利用有限元軟件ANSYS對升降單元整體進行應力分析。得出銷輪齒條升降單元各個部件的最大應力點和最大應力，為確保各個部件能夠正常運行提供數據支持，本文避免了在使用齒輪齒條式升降單元的挖泥船成本高、制造工藝復雜的缺點，卻保留了齒輪齒條式升降單元的優點，對具有升降單元的船只研究具有較好的社會效益。

1 升降裝置設計方案

定位樁升降樁裝置有多種型式，根據船舶的使用要求及船舶各種設計工況，采用液壓馬達驅動減速機構，帶動齒輪齒條實現升降的裝置，作為12方抓斗挖泥船的的定位樁的升降裝置。

采用液壓減速箱齒輪齒條升降裝置提升、下放和鎖緊定位樁，在鋼樁升降過程中可以控制鋼樁的升降速度，使其運動平穩，且具備強勁的壓樁和拔樁能力，能在施工區域河床要求的地質條件下順利地將鋼樁壓入和拔出。同時升降裝置利用液壓馬達驅動，達到驅動力恒定的效果，受外界影響較小。

根據船舶的使用要求和船舶各種設計工況，升降系統若采用常規的漸開線變位齒輪齒條傳動，為滿足其承載要求，其一是使用多組標準模數齒輪齒條進行均布承載，其二是使用大模數的傳動副的齒輪和齒條。使用多組標準模數齒輪存在成本高，難以實現同步控制等。對于這類大模數齒輪（齒條），加工制造技術要求較高，目前國內具有加工此類大模數齒輪(齒條)的大型機械設備的廠家為數不多。即使有這類加工設備，由于模數較大導致齒輪（齒條）重量和體積較大，加工成本也相當高。

由于抓斗挖泥船升降系統的使用頻率高于其他船舶的升降系統，因此，升降裝置在接觸強度上要求更高。基于以上原因，采用了適應于重載、低速、粉塵多、潤滑條件差等工作較惡劣環境的銷齒傳動作為升降樁腿的傳動裝置。

銷齒傳動是利用銷結構替代漸開線齒輪，傳動優點：銷齒齒輪的輪齒是圓柱銷形，和一般的輪齒相比結構簡單、制造加工容易、造價低、拆修方便；齒部在工作過程采用受力工況好的簡支梁；當銷輪的銷齒破壞時只需個別更換銷齒，無需將整個銷齒輪報廢；在條件允許的情況下，以銷齒齒輪代替較大模數的一般漸開線齒輪，具有較好的經濟性。表1所示為齒輪齒條和銷齒傳動裝置的優缺點比較。

表1 齒輪齒條和銷齒傳動裝置比較

2 定位樁系統結構設計

12方鋼索抓斗挖泥船定位樁系統結構上主要由定位樁系統、行走（移船）樁裝置、工作（固定樁裝置）、減速箱體、定位樁、鋼樁升降裝置、安裝基座組成，本節將詳細敘述12方鋼索抓斗挖泥船定位樁系統的結構設計參數[11]。

2.1 定位樁系統

2.1.1 系統組成

定位樁系統組成包括行走樁裝置一套和工作樁裝置兩套（左右各一套），定位樁系統參數如表2所示，其中樁腿的升降速度與升降載荷有關，當船舶升降載荷達到最大（160 t）時，定位樁樁腿的升降速度為3 m/min，當船舶的升降載荷為最小（80 t）時，其升降速度可適當提高，為6 m/min，因此，定位樁系統工作時的升降速度可根據載荷不同視情況而定。

表2 定位樁系統參數表

2.1.2 系統布置

如圖1所示，定位樁系統布置如下：一套行走樁總成（移船定位樁裝置）布置在船的首部中間的開槽里，兩套工作樁（固定樁）布置在船中左右兩舷的開槽里。

圖1 定位樁系統布置

2.2 行走（移船）樁裝置

如圖2所示，行走樁總成外形主要由行走裝置部分和升降裝置部分組成。行走部分由公共底座、擺動基架、擺動油缸和擺動油缸基架組成，通過液壓驅動擺動油缸實現行走樁擺動動作，達到船舶移動的目的。升降裝置部分由一套輪系和銷輪齒條傳動裝置組成，實現樁腿的升降，全部由液壓驅動。

圖2 行走樁總成外形

2.3 工作樁（固定樁）裝置

如圖3所示，工作樁主要由一套輪系和銷輪齒條傳動裝置組成，實現樁腿的升降，全部通過液壓驅動。

圖3 工作樁總成（左、右）外形

2.4 減速箱體

減速箱體及傳動裝置是裝置的核心部分，減速箱體和底座采用焊接工藝制造。有以下特點：（1）根據設計計算使用不同厚度、不同形狀連接；（2）部件成型后剛度大，整體性好；結構重量輕，節省金屬材料，據以往的經驗較鉚接工藝，焊接工藝制造節省金屬15%～20%，較鑄件節省金屬40%左右，降低生產成本，提高產品質量；（3）相對于鉚接和鑄造改善了勞動條件，降低勞動強度，生產效率高；（4）采用安裝底座和減速箱主體分開的設計，方便制造，保證傳動精度，安裝、維修方便。

2.5 定位樁

圖4所示為定位樁鋼樁，其制造要求：（1）鋼樁制造及吊裝相關工藝是經過甲、乙雙方同意并經CCS批準；（2）鋼樁制造過程中，使用3D激光測量儀進行樁腿尺寸控制和檢測，以保證樁腿合攏后尺寸滿足圖紙要求。所有鋼樁焊接焊縫及其永久吊點焊縫均要求進行探傷，不允許在鋼樁任何材料上進行任何點焊、氣割操作；（3）鋼樁為正方形箱型結構，在鋼樁一側焊接供升降的齒條；（4）鋼樁的材料為CCS-DH36，齒條材料為CCSEH51，有CCS認可的材質證明書。

圖4 鋼樁

鋼樁具有良好的水密性能，主要參數如下：外形尺寸為1.5 m×1.5 m；長度約34 m；鋼樁圍壁板厚為22 mm；鋼樁四角設計加強筋，樁尖單獨加強。

鋼樁焊接加工完成后精度要求：任意4 m長度以內直線度誤差不超過2 mm；鋼樁橫截面加工精度要求0～+3 mm。

鋼樁所有拼接焊縫及鋼樁永久吊點焊縫均為全熔透焊縫，要求進行100%UT和100%MT，所有未焊透焊縫100%MT，并滿足CCS和船東的要求。

2.6 鋼樁升降裝置

2.6.1 銷輪傳動裝置結構

圖5所示為銷輪齒條傳動裝置結構，圖中，齒條通過焊接與鋼樁連接在一起，銷齒銷安裝在銷輪上，液壓馬達通過減速箱輪系后驅動銷齒齒輪，銷輪的銷齒和齒條上的齒嚙合并驅動齒條運動，從而帶動船舶的鋼樁上下運動達到升樁或壓樁的目的。

圖5 銷輪齒條傳動裝置結構

由于抓斗船上定位樁的齒條是要隨定位樁反復插入泥土的，如果采用普通的銷齒齒條，銷齒的運動部位極易受泥沙污染和海水腐蝕。為了克服普通銷齒輪和齒條作為傳動機構時由于銷齒輪為主動件會降低其傳動效率的缺點，采用了帶有銷齒套的銷齒結構（圖6）：在銷齒上設有銷齒套，銷齒套套在銷齒軸上，銷齒套圍繞銷齒軸柱轉動，銷齒套與銷齒軸間為動配合[12]。

圖6 帶銷套銷齒的結構

當帶銷齒套的銷齒轉動與齒條直接接觸，特別是經過齒條齒頂部相對運動為滑動摩擦時；銷齒套就圍繞銷齒軸轉動，銷齒套與銷齒軸間產生的近乎滾動摩擦代替了銷套和齒條齒間的滑動摩擦，因此磨損程度大大降低，從而提高了傳動效率，延長了銷齒及齒條的使用壽命。表3所示為帶銷套銷輪齒條與不帶銷套銷輪齒條的差異。

表3 帶銷套輪銷齒條和普通銷輪齒條傳動裝置性能比較

2.6.2 齒條齒形

通過對銷齒與不同齒形的齒條嚙合時運動分析可知，要使銷輪中心速度是一恒定值，銷齒在前半嚙合過程要求齒形是凸外擺線，而在后半嚙合過程要求齒形是凹外擺線最好。雖然上凸下凹的齒形加工工藝較為復雜，但是目前在數控機床上加工已經不是問題。齒條齒形采用凸外擺線。如圖7齒條所示，其具體參數：齒條板厚度為150 mm；齒頂圓直徑為205 mm；齒距為410 mm；長度為26670 mm。

圖7 齒條

2.7 安裝基座

升降裝置的安裝方式直接影響到本船的使用性能和使用壽命。此次采用有安裝基座型式。就是升降齒輪箱的本體和船體不是直接接觸，而是在升降齒輪箱的本體和船體主體結構間有一剛性基座。如圖8、圖9所示，在安裝基座的設計和制造過程中有以下考慮：（1）剛性基座能承受船舶的各種設計工況負載；（2）基座的構件盡量和船舶主體的構件對齊，基座的整體高度上有足夠的余量，經過修配后和主船體的安裝定位樁裝置的局部外形吻合；（3）通過計算確定螺栓、螺母的尺寸和數量，保證在船舶的各種設計工況不會松動和損壞，固定螺栓的強度必須能保證升降裝置在長期運行中不產生相對移動；（4）安裝基座上的安裝螺孔盡量避開基座上的肘板，保證基座的強度及減速箱體的安裝方便，考慮到減速箱體管線的連接方便；（5）為了保證升降裝置在船舶的各種設計工況可靠的工作，安裝底座和減速箱安裝時必須考慮止推措施，本基座和升降裝置齒輪箱安裝時，基座上裝有止推塊；（6）考慮到減速齒輪箱在船舶上二次安裝的準確性，在減速箱和安裝基座見配有緊配螺栓。

圖8 行走樁裝置安裝基座

圖9 工作樁裝置安裝基座

3 升降裝置建模設計計算

為探究銷齒齒條的力學性能，分析其是否滿足12方鋼索式挖泥船的工況，通過有限元軟件模擬銷齒和齒條，并在升降載荷160 t工況下，建模并計算出銷齒和齒條應力分布情況，并通過不同齒厚對銷齒和齒條的應力趨勢進行比較分析。

3.1 計算內容及前提

本次有限元仿真中，所采用的基本參數如下。（1）模型中采用單位制，長度：mm；時間：s；質量：kg；力：N；應力：MPa。（2）鋼材楊氏模量全部取E=206×GPa，泊松比取0.3。（3）模型間有摩擦接觸關系的動摩擦因數全部取0.15。（4）模型：銷齒的模型，與銷齒相聯的部分基礎的模型。

3.2 分析計算

本模型有限元分析采用下的模型，其設計參數為：銷齒數量為10；銷軸直徑為125 mm；銷套直徑為205 mm；銷齒中心分布直徑為1303.81 mm。

約束條件根據實際情況簡化，Fixed support固定約束安裝基座的底面；Cylindrical Support約束銷輪徑向，使其不能轉動；加載情況根據技術規格書所述技術要求，額定載荷工況下，最大載荷為160 t。模擬計算時，此載荷加載在齒條上，其加載載荷為點力，位于鋼樁的頂部齒條齒根附近，其加載載荷為F=1568000 N。

3.3 計算結果

本文通過有限元仿真應力分析，對幾組重要受力部件做了應力分析，分別為齒條的仿真應力分析、銷軸的仿真應力分析、銷套的仿真應力分析、銷輪的仿真應力分析、銷輪安裝座的仿真應力分析。

齒條仿真應力分析：齒條受力面積增大，齒條最大應力呈現下降趨勢；齒條所受最大應力并非在齒面處而是在樁腿的內側，即齒條本身所受應力較低，其最大應力為274.97 MPa，滿足使用強度要求。

銷軸的仿真應力分析：其最大應力點位于銷軸的中部軸圓周上，其最大應力375.46 MPa，若銷齒跨度增大，所受彎矩變大，銷齒最大應力呈現上升趨勢。銷軸滿足強度要求。

銷套仿真應力分析：最大仿真應力點位于銷套內部的孔位置大小突變處，最大應力為322.72 MPa。

銷輪仿真應力分析：最大應力點位于銷輪與銷軸連接的孔上，由此可知銷軸所受到的力通過銷輪的銷軸孔傳遞到銷輪上，因而銷輪上的孔容易發生疲勞破壞，使得銷輪上的銷軸孔變大，因此在設計銷輪時需要注意。其最大應力為274.97 MPa。

銷輪安裝基座仿真應力分析：最大應力點位于安裝基座的銷輪安裝孔上，最大應力為274.97 MPa，銷輪齒箱安裝基座應力變化很小，基本處于與銷輪連接處。

4 結束語

銷輪齒條傳動技術運用在海洋工程船舶升降裝置上，應用該傳動方式的升降裝置可以降低生產成本和維修成本，該技術在相關領域推廣使用也將創造很好的經濟效益和社會效益，對于船東和設備生產廠家都是有利的。