賈書(shū)源

（華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州450011）

黃河凌汛是我國(guó)北方河流特有的一種現(xiàn)象，由于黃河流經(jīng)緯度跨度大，各地區(qū)每年冬春兩季封河和開(kāi)河時(shí)間有較大差異，一旦下游冰凌堵塞河道，上游河水流過(guò)，水位將被抬高，很容易發(fā)生漫壩、潰堤事故[1]。傳統(tǒng)的炮擊方法效率低下，危險(xiǎn)系數(shù)高，環(huán)境危害大，研究出一種工作靈活、破冰能力強(qiáng)的機(jī)械式黃河破冰船迫在眉睫[2]。

1 黃河破冰船的整體設(shè)計(jì)

黃河水淺，河面上方低空建筑物多，傳統(tǒng)的依靠大噸位船身爬到冰面上破冰的方法受到了較大限制[3]。為保障破冰能力，根據(jù)河道需要，盡可能增大船身寬度，船艏至船底加厚鋼板，并通過(guò)焊接方式安裝冰刀，增強(qiáng)破冰能力。

船體內(nèi)部設(shè)計(jì)加裝水箱（根據(jù)需要，可隨時(shí)短時(shí)間注水或排水，調(diào)節(jié)船重和船體重心位置），維持船體平衡，并輔助增強(qiáng)破冰效果。當(dāng)冰層過(guò)厚無(wú)法直接撞破時(shí)，通過(guò)大流量水泵將船體內(nèi)前水箱的水短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移到船體后內(nèi)部水箱，使船頭抬起并以冰刀為導(dǎo)軌駛上冰面，迅速將船體內(nèi)前水箱注滿(mǎn)水，通過(guò)船自身重量壓破冰層。為保障破冰船不會(huì)被浮冰困住，在破冰船前部甲板安裝一個(gè)可旋轉(zhuǎn)式機(jī)械手，通過(guò)機(jī)械手的冰鋸切割船前以及船兩側(cè)冰蓋配合破冰船完成輔助破冰任務(wù)。

2 破冰船主要零件設(shè)計(jì)

2.1 冰刀的設(shè)計(jì)

黃河破冰船整體采用寬淺式方式，設(shè)計(jì)船體長(zhǎng)度為8500mm，寬度為3000mm，高度為2500mm，最大吃水深度1500mm，船艏鋼板加厚，安裝1000mm高的冰刀，并一直延伸到破冰船的底中部，不但可以在連續(xù)破冰時(shí)撞破冰層，還可以起到輔助滑行作用，有利于船頭駛上冰蓋，增大船體底部壓強(qiáng)，壓破冰層。建立冰刀三維模型如圖1所示。

2.2 船用機(jī)械手的設(shè)計(jì)

圖1 破冰船冰刀三維模型示意圖

船體冬季夜間泊行往往被浮冰凍住，船體無(wú)法依靠自身動(dòng)力前進(jìn)或后退。設(shè)計(jì)了如圖2所示的機(jī)械手輔助破冰。機(jī)械手安裝在船身前部甲板之上，用于切割船身附近冰層用以輔助破冰船破冰。

機(jī)械手末端冰鋸需要完成前后、左右、上下移動(dòng)等基本動(dòng)作，設(shè)計(jì)的機(jī)械手以極坐標(biāo)方式保障3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手動(dòng)力依靠破冰船配備的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)。機(jī)械手底部為旋轉(zhuǎn)圓臺(tái)，根據(jù)需要可以進(jìn)行180°的旋轉(zhuǎn)，圓臺(tái)連接的傳動(dòng)臂可以進(jìn)行90°的彎曲，機(jī)械手臂能夠伸縮，保障了機(jī)械手的全方位無(wú)死角工作。

圖2 破冰船機(jī)械手三維模型示意圖

2.3 破冰船驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的配置

破冰船整體質(zhì)量m在15t左右，采用船用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)工作。破冰船在連續(xù)破冰時(shí)，假定其運(yùn)動(dòng)為一個(gè)恒阻力勻速（速度為V）運(yùn)動(dòng)。取破冰船破冰時(shí)的阻力系數(shù)μ=0.5，則船體阻力F=μmg=75000N（g為重力加速度）。柴油機(jī)功率可根據(jù)P=FV來(lái)進(jìn)行計(jì)算。設(shè)定破冰船連續(xù)破冰時(shí)的速度V為1m/s。則在連續(xù)破冰條件下破冰船所需要的柴油機(jī)功率為P=FV=75KW。

破冰船機(jī)械手等電動(dòng)機(jī)依靠柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力，假設(shè)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)要分散30%-40%的動(dòng)力來(lái)帶動(dòng)船上的電動(dòng)機(jī)，破冰船上減速器的傳遞效率為0.9，螺旋槳驅(qū)動(dòng)船體前進(jìn)的傳遞效率為0.8，連續(xù)破冰時(shí)需要的柴油機(jī)功率為148-173KW。選用額定功率為179KW的NT855-M240型船用發(fā)動(dòng)機(jī)。

3 破冰船主要零部件運(yùn)動(dòng)仿真分析

3.1 船用機(jī)械手作業(yè)空間仿真

在機(jī)械手臂的控制設(shè)計(jì)過(guò)程中，機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡及作業(yè)空間是關(guān)鍵的參數(shù)[4]。機(jī)械手末端參考點(diǎn)所能到達(dá)的空間點(diǎn)的集合即為機(jī)械手的作業(yè)空間，它是衡量機(jī)械手工作能力的直接指標(biāo)。本文從鋸片末端的邊界曲線(xiàn)出發(fā)，通過(guò)motion分析跟蹤其工作路徑，進(jìn)而尋找機(jī)械手作業(yè)空間的包絡(luò)曲線(xiàn)。

Motion參數(shù)設(shè)置如下：旋轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)置為旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作模式為震蕩，位移180°，頻率0.5Hz；機(jī)械臂底部設(shè)置為旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作模式為距離驅(qū)動(dòng)，工位移90°，持續(xù)時(shí)間10s。得到其90°作業(yè)空間包絡(luò)線(xiàn)俯視圖和正視圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 作業(yè)空間俯視圖

圖4 作業(yè)空間正視圖

通過(guò)對(duì)機(jī)械手的作業(yè)空間進(jìn)行研究，可以檢測(cè)機(jī)械手是否滿(mǎn)足要求，也可以對(duì)反向設(shè)計(jì)船艏形狀提供依據(jù)。

3.2 船用冰刀的分析

圖5 冰刀應(yīng)力圖

圖6 冰刀應(yīng)變圖

冰刀作為破冰船主要破冰零件，承擔(dān)破冰的沖撞任務(wù)。冰刀前部設(shè)置一個(gè)圓環(huán)，以備破冰船固定或者牽引。

船用冰刀的有限元分析在SolidWorks中采用simulation插件進(jìn)行。分析計(jì)算基本步驟為：建立約束——選擇刀具材料——施加載荷——?jiǎng)澐志W(wǎng)格。運(yùn)行后得到的冰刀應(yīng)力和應(yīng)變圖如圖5和圖6所示。

圖5中，冰刀所受的最大應(yīng)力為18.65MPa，而碳鋼板的屈服力為235MPa，遠(yuǎn)大于18.65MPa，圖6中，冰刀的最大應(yīng)變發(fā)生在圓孔處，應(yīng)變值為4.930×10-5m，基本可以忽略不計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)破冰船輔助破冰部分進(jìn)行了三維建模，利用motion控件模擬了機(jī)械手的作業(yè)空間，利用simulation插件完成了船用冰刀的有限元分析，關(guān)鍵部位進(jìn)行校核，保證了破冰船設(shè)計(jì)過(guò)程中的時(shí)效性和安全性。

［1］張安魯，趙悅，劉云.黃河凌汛成因的初步分析及其防治措施的發(fā)展［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào).2009（5）:93.

［2］張南如.黃河破冰船設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)［J］.中國(guó)造船.1957（3）:59-70.

［3］朱文博.內(nèi)河淺水航區(qū)采用雪撬型首的破冰效果［J］.江蘇船舶.1981（2）:38-42.

［4］尹成龍，牛多青.基于SolidWorks的挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)及工作裝置運(yùn)動(dòng)仿真［J］.機(jī)械制造，2009，47（536）:15-17.