胡燕平，吳 佳，郭 勇

（湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 湘潭411201）

深?？碧降醴沤g車試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析

胡燕平，吳 佳，郭 勇

（湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 湘潭411201）

為了實(shí)現(xiàn)深?？碧接玫醴沤g車承載能力、主動(dòng)升沉補(bǔ)償能力、制動(dòng)能力以及關(guān)鍵部件滑輪和纜索的承載能力測(cè)試，設(shè)計(jì)了一種基于塔式配重和液壓驅(qū)動(dòng)的組合型絞車試驗(yàn)臺(tái)。針對(duì)試驗(yàn)臺(tái)塔架的幾何結(jié)構(gòu)，分析了其在試驗(yàn)過(guò)程中絞車突然制動(dòng)所承受的沖擊載荷，以及塔架的約束情況?；?ANSYS有限元軟件，利用梁、殼單元建立塔架有限元模型，對(duì)該塔架進(jìn)行了靜態(tài)分析，得到了各關(guān)鍵部位的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，提出了主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。建立的塔架有限元模型以及計(jì)算結(jié)果能為同類塔架的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

絞車；塔架；主動(dòng)升沉補(bǔ)償；ANSYS

0 引言

在深?？碧阶鳂I(yè)中，需要用絞車吊放重達(dá)20t的深?？碧窖b備，絞車安裝在考察船的甲板上，絞車在吊放過(guò)程中隨波振蕩。為了使絞車擠帶繩不產(chǎn)生大的沖擊載荷，絞車需要自動(dòng)調(diào)整收放速度以補(bǔ)償船的升沉運(yùn)動(dòng)，我國(guó)目前還沒(méi)有生產(chǎn)能適應(yīng)上述工況的吊放絞車。湖南科技大學(xué)正在研制適應(yīng)深海勘探裝備吊放用絞車，為此需開發(fā)深海勘探用絞車試驗(yàn)裝置。

現(xiàn)有的絞車試驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同分為塔式試驗(yàn)臺(tái)和液壓試驗(yàn)臺(tái)。塔式配重試驗(yàn)臺(tái)工作原理為：絞車的鋼絲繩穿過(guò)鋼架底座上定滑輪和塔架上端定滑輪，起吊標(biāo)稱配重進(jìn)行測(cè)量；絞車的拉力通過(guò)改變配重的質(zhì)量來(lái)測(cè)定；絞車的提升速度是由測(cè)量纜索某點(diǎn)通過(guò)設(shè)定距離的時(shí)間間接獲得。采用這種測(cè)試方式，為測(cè)得絞車的制動(dòng)能力需要大量配重，測(cè)量的絞車提升速度為平均速度無(wú)法測(cè)出絞車的速度變化。液壓試驗(yàn)臺(tái)采用液壓油缸拉絞車?yán)|索，通過(guò)測(cè)量油缸壓力間接獲得絞車的承載能力和纜索的承載能力，能實(shí)現(xiàn)負(fù)載試驗(yàn)，但絞車的其它性能無(wú)法通過(guò)該方案獲得[1-3]。

本文提出的試驗(yàn)臺(tái)采用塔架和液壓組合方式，塔架測(cè)試絞車在正常提升過(guò)程中的升沉補(bǔ)償能力，液壓油缸測(cè)試絞車的最大制動(dòng)力以及零部件的最大承載能力。本文在試驗(yàn)臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，分析了試驗(yàn)過(guò)程中的塔架載荷，應(yīng)用Ansys軟件分析了塔架的應(yīng)力，優(yōu)化了塔架結(jié)構(gòu)。

對(duì)于塔架的設(shè)計(jì)和分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量研究工作。澳大利亞的FGAl-Bermani和SKitiponrhcai等人[4]采用梁?jiǎn)卧獊?lái)計(jì)算模擬鐵塔桿件，計(jì)算塔架的極限承載力。趙立新等[5]分析了影響塔架靜強(qiáng)度、模態(tài)、穩(wěn)定性、疲勞強(qiáng)度等關(guān)鍵因素，并對(duì)塔架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組承載部件的分析和設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。崔強(qiáng)等人[6]采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)塔架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，探討了結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)特點(diǎn)和一般規(guī)律。莊雷[7]等通過(guò)對(duì)某鋼塔架的靜、動(dòng)態(tài)分析，探討如何在ANSYS中利用梁、殼單元建立塔架有限元模型的問(wèn)題及計(jì)算方法。

1 試驗(yàn)臺(tái)工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研制絞車的主要性能指標(biāo)為：適用于4級(jí)以下海況；纜繩直徑32mm；額定拉力198kN；最大提升速度1.67m/s；公稱速度1.2m/s；主動(dòng)升沉補(bǔ)償能力±3m。

參考全國(guó)船舶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，船用地質(zhì)絞車(CB* 3150-83)的4.1.2.2負(fù)載實(shí)驗(yàn)規(guī)定，以50%、100%、125%卷筒最大拉力進(jìn)行吊裝實(shí)驗(yàn)。根據(jù)船用地質(zhì)絞車(CB* 3150-83)4.1.2.3卷動(dòng)器制動(dòng)實(shí)驗(yàn)規(guī)定，在吊重為125%最大拉力時(shí)，當(dāng)重塊吊離地面0.2m時(shí)停車，卷筒制動(dòng)器停車，脫開卷筒離合器，加載至1.5倍卷筒最大力矩，停留2min?？紤]到今后發(fā)展需要，試驗(yàn)臺(tái)按額定載荷300kN計(jì)算，實(shí)驗(yàn)負(fù)載載荷375kN，卷筒制動(dòng)載荷取450kN。根據(jù)試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)塔架總高為19.5m鋼結(jié)構(gòu)塔架，鋼結(jié)構(gòu)主要有鋼梁和鋼板兩類構(gòu)件，鋼梁包括主梁、斜梁和橫梁,鋼板主要是滑輪安裝座。根據(jù)材料力學(xué)理論計(jì)算，確定鋼梁為角鋼和H型鋼，角鋼材料為Q345，(GB/T 9787-1988)型號(hào)20角鋼為主梁，型號(hào)8角鋼為斜梁和橫梁，H型鋼材料為Q690，熱軋H型鋼(GB/T11263-1998)類別HW(寬翼緣型)，型號(hào)414×405。鋼板厚度35mm，材料為Q690。試驗(yàn)裝置圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)臺(tái)的主要性能指標(biāo)：適用于4級(jí)以下海況；額定拉力300kN；最大提升速度1.67m/s；公稱速度1.2m/s；主動(dòng)升沉補(bǔ)償能力±3m；纜繩直徑40mm。

試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)塔式配重試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了絞車升沉補(bǔ)償性能和絞車承載能力測(cè)試。下導(dǎo)向輪裝在地基上，在下導(dǎo)向輪軸承處安裝轉(zhuǎn)速傳感器，在配重塊與鋼絲繩連接處安裝拉力傳感器。在試驗(yàn)過(guò)程中，由絞車?yán)瓌?dòng)配重塊上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，傳感器測(cè)出任意時(shí)刻的轉(zhuǎn)速與拉力，從而測(cè)出絞車承載能力、絞車收放速度以及主動(dòng)升沉補(bǔ)償能力。試驗(yàn)臺(tái)用液壓驅(qū)動(dòng)油缸對(duì)絞車進(jìn)行制動(dòng)能力測(cè)試以及零部件的最大承載能力測(cè)試。圖2為液壓系統(tǒng)原理圖。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

液壓站采用移動(dòng)式液壓站，其工作原理如下：當(dāng)換向閥處于中位時(shí)，液壓缸不動(dòng)，當(dāng)換向閥的左位或右位接入回路時(shí)，泵向液壓缸供油，使得活塞能夠左右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到安全閥所設(shè)定值時(shí)，安全閥打開，控制液壓油缸的最大壓力。

2 有限元分析

2.1 模型建立和網(wǎng)格劃分

在分析整個(gè)塔架的剛度和薄弱環(huán)節(jié)等力學(xué)特性時(shí)，細(xì)致地描述一些非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，不但增加建模的難度和單元的數(shù)目，還會(huì)使有限元模型的單元尺寸變化過(guò)于劇烈而影響計(jì)算精度。為此，在建模過(guò)程中對(duì)塔架結(jié)構(gòu)中的小孔、螺栓等小尺寸結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)化處理。塔架連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單一單元模式無(wú)法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分。為了解決塔架網(wǎng)格劃分問(wèn)題，采用復(fù)合單元對(duì)桁架進(jìn)行分配來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分。針對(duì)桁架各結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，主梁、斜梁、橫梁采用梁?jiǎn)卧摪宀捎脷卧?。此外單元類型選擇梁?jiǎn)卧?BEAM188、殼單元SHELL181。由于塔架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果直接實(shí)體建模，網(wǎng)格劃分困難，建模時(shí)采用ANSYS命令流，生成點(diǎn)、線、面，在分別對(duì)線和面賦予相對(duì)應(yīng)的單元類型，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分49506個(gè)單元，25552個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 塔架有限元模型

2.2 邊界條件設(shè)定及載荷施加

塔架自身受力復(fù)雜，除塔架自重外，還有塔架所受風(fēng)載荷和配重沖擊載荷。在進(jìn)行絞車負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)條件是在無(wú)風(fēng)情況下進(jìn)行。本文分析靜載荷包括塔架構(gòu)件的自重以及絞車負(fù)載載荷，計(jì)算出塔架在試驗(yàn)過(guò)程中承受自重、沖擊載荷時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)力及變形情況。本文只對(duì)塔架進(jìn)行分析，不考慮地基基礎(chǔ)的受力，將塔架與地基連接處當(dāng)成固定支撐，進(jìn)行靜力分析時(shí)，只需要將該節(jié)點(diǎn)處6個(gè)自由度全部約束。

不計(jì)阻尼，配重在上升過(guò)程中絞車突然制動(dòng)，重物在慣性作用下繼續(xù)上升，到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)的位移大于重物作用下的鋼絲繩變形量，配重下降，到達(dá)鋼絲繩自由長(zhǎng)度時(shí)，鋼絲繩變形產(chǎn)生振動(dòng)，以鋼絲繩在重物作用下的靜平衡點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)零點(diǎn)和時(shí)間起點(diǎn)，向下為正方向，則配重振動(dòng)方程為：

由能量平衡公式：

式中，h為配重在慣性作用下最大上升位移；v為絞車提升速度1.67m/s；x0為鋼絲繩在配重作用下的靜變形量；ν1為鋼絲繩自由長(zhǎng)度時(shí)的瞬時(shí)速度；A1為振幅；k為鋼絲繩彈簧剛度；E為彈性模量，206GPa；η為鋼絲繩充滿系數(shù)0.46；L為鋼絲繩長(zhǎng)度40m；a為鋼絲繩截面積；T1為塔架受的最大沖擊載荷；m為塔架配重質(zhì)量

配重在勻速下降過(guò)程中，絞車突然制動(dòng)，不計(jì)阻尼，鋼絲繩和配重構(gòu)成無(wú)阻尼自由振動(dòng)，振幅為A2，以鋼絲繩在重物作用下的靜平衡點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)零點(diǎn)和時(shí)間起點(diǎn)，向下為正方向，配重振動(dòng)方程為：

由能量守恒定律得：

式中，T2為塔架受最大沖擊載荷。

求出上述兩種情況的振動(dòng)方程分別為：

在試驗(yàn)過(guò)程中，塔架受力點(diǎn)是兩滑輪與鋼絲繩接觸處，在確定塔架加載力時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算,將該部分載荷作為集中載荷施加到滑輪安裝座上，如圖4所示。

在任意時(shí)刻有：

式中，μ為滑動(dòng)軸承摩擦系數(shù)，取0.07。

圖4 滑輪安裝座受力簡(jiǎn)圖

經(jīng)計(jì)算，滑輪安裝座受力大小見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算結(jié)果及參數(shù)

2.3 試驗(yàn)臺(tái)塔架靜態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變分析

在輸入給定參數(shù)之后，運(yùn)用solve求解模塊進(jìn)行求解，得到的整個(gè)的應(yīng)力云圖和位移云圖見(jiàn)圖5(a)、(b)。調(diào)取的塔架各個(gè)關(guān)鍵零件的最大應(yīng)力和最大位移見(jiàn)表2。由表2可看出，塔架整體最大應(yīng)力為570.7MPa，塔架整體最大變形量為58.9mm。考慮到鋼材材質(zhì)以及其他不確定因素，安全系數(shù)應(yīng)取1.5以上。由表2可知，主梁安全系數(shù)1.1，結(jié)合圖6可知最大應(yīng)力發(fā)生在主梁頂部邊緣處，考慮到主梁安全系數(shù)太低，換用材質(zhì)為Q690角鋼，安全系數(shù)為2.2?；啺惭b座安全系數(shù)1.2，最大應(yīng)力為570.7MPa，為整個(gè)塔架受力最大的零件，安全系數(shù)太低，可將滑輪安裝座底板板厚度增加10mm。優(yōu)化后的滑輪安裝座應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7，最大應(yīng)力402MPa，危險(xiǎn)點(diǎn)在底板兩側(cè)右邊緣處。H型鋼梁和斜梁安全系數(shù)分別為2.9、3.5，安全系數(shù)足夠大，滿足要求。

圖5 塔架整體應(yīng)力(MPa)和應(yīng)變?cè)茍D

表2 各關(guān)鍵部位應(yīng)力應(yīng)變

圖6 主梁應(yīng)力云圖(MPa)

圖7 優(yōu)化后滑輪安裝座應(yīng)力云圖(MPa)

3 結(jié)論

1）本文依據(jù)湖南科技大學(xué)正在研制的適應(yīng)深海勘探裝備吊放用絞車，設(shè)計(jì)了一種塔式配重和液壓驅(qū)動(dòng)組合型絞車試驗(yàn)臺(tái)。

2）本文分析了試驗(yàn)臺(tái)塔架在絞車提升過(guò)程中突然制動(dòng)所受的沖擊載荷，以及塔架的約束狀態(tài)?；贏NSYS 14.0 有限元軟件建立了塔架仿真分析模型。

3）獲得了塔架在沖擊載荷作用下的應(yīng)力和應(yīng)變，根據(jù)塔架關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布，對(duì)塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)了優(yōu)化，并能為同類復(fù)雜塔架的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

[1]王雪雁,黃小龍,滕啟,等.機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的研制與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2004(6):101-105.

[2]崔金濤,吳樂(lè)奇.礦用絞車試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械,2010(17):55-58.

[3]王金利,章伯超,吳海華.礦用絞車綜合性能試驗(yàn)臺(tái)的研制[J].煤礦機(jī)電,2014(2):111-113.

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[5]趙立新.風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2008.

[6]何文飛.高聳格構(gòu)式塔架風(fēng)振響應(yīng)研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2009.

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瓦錫蘭側(cè)推器通過(guò)LR型式認(rèn)證

（來(lái)源：中國(guó)船舶新聞網(wǎng)）

日前，瓦錫蘭WTT 11側(cè)推器成功通過(guò)了英國(guó)勞氏船級(jí)社（LR）型式認(rèn)證。據(jù)悉，該認(rèn)證流程的最后一步是對(duì)專業(yè)制造工廠進(jìn)行生產(chǎn)質(zhì)量保證檢驗(yàn)，即工廠審核。作為制造廠商的瓦錫蘭推進(jìn)裝置（無(wú)錫）有限公司此次順利通過(guò)審核，并在中國(guó)推進(jìn)器生產(chǎn)企業(yè)中首次獲得LR型式認(rèn)證。WTT 11側(cè)推器屬于瓦錫蘭公司新一代側(cè)推器解決方案產(chǎn)品組合。一個(gè)完整的側(cè)推器獲得 LR型式認(rèn)證尚屬首次。通過(guò)型式認(rèn)證意味著該推進(jìn)器將不再需要針對(duì)每艘船或船體代號(hào)接受設(shè)計(jì)評(píng)審，能夠大幅節(jié)省成本和生產(chǎn)時(shí)間，從而縮短產(chǎn)品交付周期。

據(jù)了解，瓦錫蘭WTT系列側(cè)推器最大功率達(dá)4500kW，其中WTT 11最大功率為1100kW，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)并能夠使用可調(diào)或固定螺旋槳推進(jìn)方式，每臺(tái)推進(jìn)器組件的水動(dòng)力性能都按照最新的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析進(jìn)行優(yōu)化。LR的此項(xiàng)型式認(rèn)證適用于所有WTT 11選配件并能作為WTT系列中其他變型（尺寸）的范本。此外，WTT系列對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也均符合與環(huán)保相關(guān)的最新要求。

Design and Strength Analysis of Test-bed for Deep-sea Exploration Dipping Winch

HU Yan-ping,WU Jia,GUO Yong
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)

In order to realize carrying capacity,active heaving and sinking compensation and stopping power of the dipping winch for deep-sea exploration and bearing capacity test of the key parts of the pulley and the cable,a combined winch test-bed based on the counterweight tower and hydraulically driven is designed.Aiming at the geometric structure of test-bed tower,the tower subjected to impact load by winch brake and its constraint condition during the test process are analyzed.Based on ANSYS finite element software,the finite element model of the tower is established.The static analysis of the tower is carried out.The stress and strain distribution of the key parts is gotten.Main structural design improvement project is proposed.The finite element model of the tower and calculation results can provide a theoretical basis for the design and optimization of the same tower.

winch; tower; active heave compensation; ANSYS

U664.4+4

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.004

湖南省重大專項(xiàng)(2014FJ1004)資助；湖南省教育廳產(chǎn)學(xué)研基金資助項(xiàng)目(11CY020)

胡燕平（1957-），教授，博士，研究方向：礦山機(jī)械、流體傳動(dòng)與控制等。