武漢市交通基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站 武漢 430015

鋼套箱在船臺(tái)上制作后下水是在鋼套箱建造基本竣工之后，將鋼套箱從船臺(tái)建造區(qū)移到水中去的工藝過程。機(jī)械化鋼套箱下水有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，越來越被鋼套箱或船體制作技術(shù)發(fā)展所采用。使船臺(tái)工程水下段井字梁安裝滑道面的精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，是船臺(tái)施工的難點(diǎn)之一。采用常規(guī)的安裝方法需要安裝或架設(shè)臨時(shí)的輔助結(jié)構(gòu)，使施工進(jìn)度較慢，施工成本增加；同時(shí)手動(dòng)調(diào)位對(duì)吊具操作員的技術(shù)要求較高，且受水上風(fēng)浪影響，將很難達(dá)到作業(yè)要求。

因此，本文設(shè)計(jì)了一套三向調(diào)位設(shè)備，通過3 組油缸的協(xié)同動(dòng)作完成三向精確調(diào)位；研究了其三維調(diào)位過程中的滑移接觸力學(xué)模型，并進(jìn)行了三向調(diào)位設(shè)備摩擦接觸性能試驗(yàn)，通過試驗(yàn)測(cè)定了滑移副的滑動(dòng)摩擦因數(shù)。

1 三向調(diào)位設(shè)備設(shè)計(jì)及其工作原理

為得到調(diào)位范圍內(nèi)任意的三維位移，采用正交放置的3 組油缸構(gòu)成三向調(diào)位設(shè)備，如圖1所示。三向調(diào)位設(shè)備的3 組油缸可提供推力（或拉力），使相應(yīng)結(jié)構(gòu)在某個(gè)方向上產(chǎn)生單向位移，3 組油缸同步運(yùn)動(dòng)便能得到調(diào)位范圍內(nèi)任意的三維位移，則與三向調(diào)位設(shè)備相連接的被調(diào)結(jié)構(gòu)在連接點(diǎn)處同步產(chǎn)生相同的三維位移。

采用3 臺(tái)以上三向調(diào)位設(shè)備進(jìn)行同步調(diào)位，便能實(shí)現(xiàn)被調(diào)結(jié)構(gòu)在空間6 個(gè)自由度上的位移調(diào)整。為保證能夠?qū)Ρ徽{(diào)對(duì)象進(jìn)行空間內(nèi)3 個(gè)位移自由度調(diào)位，三向調(diào)位設(shè)備選用了3 組液壓油缸作為頂推動(dòng)力，其中2 組水平正交放置的油缸對(duì)應(yīng)2 對(duì)滑移副，使得被調(diào)對(duì)象能進(jìn)行水平面內(nèi)各個(gè)方向的位移，1 組垂直放置的油缸完成被調(diào)對(duì)象豎直方向的位移。同時(shí)縱向放置的油缸與同被調(diào)設(shè)備連接的連接板之間用球鉸連接，使得三向調(diào)位設(shè)備能適應(yīng)被調(diào)對(duì)象在一定范圍內(nèi)的偏轉(zhuǎn)。

圖1 三向調(diào)位設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

三向調(diào)位設(shè)備中垂直油缸、水平橫向油缸和水平縱向油缸行程均為200 mm，使得本套設(shè)備具有較大的調(diào)位范圍，顯著降低了吊裝過程中的人工操作難度。井字梁整體落位后通過三向調(diào)位設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化粗調(diào)和精調(diào)，并通過安裝在油缸內(nèi)的磁致伸縮傳感器實(shí)現(xiàn)高精度的閉環(huán)控制。

2 三向調(diào)位設(shè)備滑移接觸力學(xué)建模與測(cè)試[1,2]

2.1 三向調(diào)位設(shè)備滑移接觸力學(xué)模型

在正常使用條件下，三向調(diào)位設(shè)備的底座被固定在水平面上，1 組水平縱向油缸安裝在底座上，活塞桿法蘭盤與滑移箱固接。

垂直油缸產(chǎn)生豎直方向位移，其頂部采用球鉸連接?；葡涞撞康幕茐K與底座上表面構(gòu)成了一對(duì)滑移接觸面，在水平縱向油缸的作用下除底座和水平縱向油缸外的結(jié)構(gòu)通過這對(duì)滑移接觸面產(chǎn)生水平縱向位移；水平橫向油缸安裝在滑移箱上，活塞桿法蘭與垂直油缸外壁固接，垂直油缸底部的滑移塊與滑移箱箱底構(gòu)成了1 對(duì)滑移接觸面，在水平橫向油缸的作用下垂直油缸及以上結(jié)構(gòu)通過這對(duì)滑移接觸面產(chǎn)生水平橫向位移。

因此，豎直方向位移外，其余兩個(gè)方向的調(diào)位均需通過滑移實(shí)現(xiàn)。調(diào)位滑移過程中有2 對(duì)接觸界面，即水平接觸界面和垂直接觸界面。這種接觸問題屬于具有表面非線性的彈性接觸問題，其中的非線性包括接觸面積變化引起的非線性、接觸壓力分布變化引起的非線性和摩擦引起的非線性。

假設(shè)其中任意一對(duì)的2 個(gè)接觸結(jié)構(gòu)分別用I和II表示，則該2 個(gè)結(jié)構(gòu)的等效平衡方程可表示為：

式中：KI，KII——結(jié)構(gòu)I和II的總體剛度矩陣；

uI，uII——結(jié)構(gòu)I和II的位移向量；

PI，PII——結(jié)構(gòu)I和II的載荷向量；

RI，RII——結(jié)構(gòu)I和II的接觸力向量。

當(dāng)接觸狀態(tài)確定后，式（1）和式（2）可解。接觸邊界的法向位移連續(xù)性方程為：

式中：εnj——第j個(gè)接觸點(diǎn)對(duì)的法向間隙；

uIj，uIIj——結(jié)構(gòu)I和II在第j個(gè)接觸點(diǎn)對(duì)的法向位移。

接觸邊界的切向位移連續(xù)性方程為：

式中：ετj——第j個(gè)接觸點(diǎn)對(duì)的切向間隙；

vIj，vIIj——結(jié)構(gòu)I和II在第j個(gè)接觸點(diǎn)對(duì)的切向位移。

表面壓力p的積分即為2 個(gè)接觸結(jié)構(gòu)的總載荷：

任一點(diǎn)在接觸面的表面位移為：

式中：akj——節(jié)點(diǎn)k在單位力作用下的位移；

fj——接觸界面節(jié)點(diǎn)j的荷載；

m——節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

則式（6）可寫為：

式中：u——位移向量；

f——載荷向量；

A——柔度矩陣。

取接觸面為研究對(duì)象，則可寫出接觸物體I和II的平衡方程為：

式中：KI，KII——I和II的整體剛度矩陣；

KIc、KIIc、KcI、KcII、Kcc——由接觸元素有關(guān)向量構(gòu)成的3×3矩陣，矩陣中各元素取值可為－1、0和1，具體由接觸狀態(tài)決定；

ΔR——接觸點(diǎn)對(duì)的等效節(jié)點(diǎn)力向量增量；

δc——初始相對(duì)位移；

ΔuI，ΔuII——I和II的位移增量矩陣；

ΔPI和ΔPII——I和II的載荷增量矩陣。

2.2 滑移接觸界面摩擦性能測(cè)試

在三向調(diào)位設(shè)備中，采用的滑移副為MGE板+鏡面不銹鋼板。工程實(shí)踐證明，MGE板具有耐磨、摩擦因數(shù)低、動(dòng)靜摩擦因數(shù)相差小、承載力大等特點(diǎn)，能夠較好地消除因軌道局部不平帶來的負(fù)面影響。

MGE板的拉伸強(qiáng)度≥30 MPa，壓縮強(qiáng)度≥65 MPa，密度在1.0～1.1 g/cm3之間，線膨脹系數(shù)在8.0～9.1×10-5°C之間。

為測(cè)定滑移接觸界面摩擦性能，通過垂直放置的液壓油缸模擬負(fù)載，在水箱中利用液壓油缸推動(dòng)受載的滑移箱滑移，滑移箱的滑移面均為MGE板-鏡面不銹鋼板滑移副。記錄連接負(fù)載油缸的泵站溢流閥開啟壓力以及在滑移箱正好滑動(dòng)時(shí)連接頂推油缸的泵站溢流閥開啟壓力，并分析兩者之間的關(guān)系，得到摩擦性能相關(guān)信息。

實(shí)驗(yàn)開始后，先調(diào)定負(fù)載泵站輸出回路溢流閥的開啟壓力值，然后由0開始逐漸增加推力泵站輸出回路溢流閥的開啟壓力值，直至滑移箱開始滑移，記錄數(shù)據(jù)。為了盡量還原實(shí)際工況，進(jìn)行了2 組試驗(yàn)，第1組試驗(yàn)水箱內(nèi)為清水，第2組試驗(yàn)水箱內(nèi)混入了大量泥沙。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 負(fù)載和推力關(guān)系

以負(fù)載油缸壓力為自變量，橫向推力油缸負(fù)載為因變量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次函數(shù)擬合。在水下無泥沙環(huán)境下，擬合結(jié)果如圖2所示。

觀察可知，試驗(yàn)所得的曲線能夠用一次函數(shù)較為準(zhǔn)確的擬合。根據(jù)擬合曲線的斜率求解滑動(dòng)摩擦因數(shù)：

在水下有泥沙環(huán)境下，擬合曲線如圖3所示。

圖2 無泥沙水下環(huán)境摩擦阻力線

圖3 有泥沙水下環(huán)境摩擦阻力線

對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，相同負(fù)載條件下，水下有泥沙環(huán)境下橫向推力油缸壓力大于水下無泥沙環(huán)境下的壓力。根據(jù)曲線斜率求解滑動(dòng)摩擦因數(shù)：

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在水下有泥沙的環(huán)境下，MGE板-鏡面不銹鋼板滑移副的滑動(dòng)摩擦因數(shù)為0.122，而水下無泥沙環(huán)境中摩擦因數(shù)僅為0.053。因此在選用這對(duì)滑移副時(shí)，必須明確其工作環(huán)境，才能保證設(shè)備的正常工作。

3 結(jié)語

（a）為得到調(diào)位范圍內(nèi)任意的三維位移，設(shè)計(jì)了三向調(diào)位設(shè)備，利用3 組油缸提供推力（或拉力），使相應(yīng)結(jié)構(gòu)在某個(gè)方向上產(chǎn)生單向位移，3 組油缸同步運(yùn)動(dòng)得到調(diào)位范圍內(nèi)任意的三維位移。

（b）基于接觸力學(xué)理論建立了三向調(diào)位設(shè)備施工過程的接觸模型，有效描述了施工過程的結(jié)構(gòu)特性，可為實(shí)際施工提供計(jì)算方法和理論指導(dǎo)。

（c）進(jìn)行了三向調(diào)位設(shè)備摩擦接觸性能試驗(yàn)，測(cè)定了MGE板-鏡面不銹鋼板滑移副的滑動(dòng)摩擦因數(shù)。結(jié)果表明，水下無泥沙環(huán)境中的摩擦因數(shù)遠(yuǎn)小于有泥沙環(huán)境。