余貽榮，亢 航，范靈毓

(1.軍事交通學(xué)院 聯(lián)合投送系，天津300161； 2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161；3.96630部隊(duì)，北京102206)

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● 軍事運(yùn)輸 Military Transportation

粵海鐵路輪渡履帶式裝備運(yùn)輸安全性仿真

余貽榮1，亢 航2，范靈毓3

(1.軍事交通學(xué)院 聯(lián)合投送系，天津300161； 2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161；3.96630部隊(duì)，北京102206)

為驗(yàn)證粵海鐵路輪渡運(yùn)輸履帶式裝備的安全性，給粵海鐵路輪渡履帶式裝備運(yùn)輸提供技術(shù)參考，利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立典型履帶式裝備鐵路平車運(yùn)輸仿真模型，載荷輸入模擬惡劣海況條件，對(duì)履帶式裝備粵海鐵路輪渡運(yùn)輸裝載加固方案進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行安全性分析。結(jié)果表明，粵海鐵路輪渡履帶式裝備鐵路運(yùn)輸裝載加固方案基本可行，安全性可以得到保障。

粵海鐵路輪渡；履帶式裝備；運(yùn)輸安全性；裝載加固

2006年，粵海鐵路輪渡開(kāi)通軍事運(yùn)輸業(yè)務(wù)，對(duì)加強(qiáng)我軍南海方向軍事投送能力建設(shè)具有重大意義。自2008年以來(lái)，隨著粵海鐵路輪渡軍運(yùn)任務(wù)逐年增加，沿線軍運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施得到極大改善，南海方向鐵路兵力投送網(wǎng)絡(luò)已初具雛形。根據(jù)原鐵道部鐵運(yùn)函[2003]47號(hào)之規(guī)定，粵海鐵路輪渡限制平車和超限貨物通過(guò)，這就意味著履帶式裝備無(wú)法通過(guò)粵海鐵路輪渡進(jìn)行運(yùn)輸，這種限制嚴(yán)重制約了南海方向兵力投送能力的拓展。通過(guò)開(kāi)展粵海鐵路輪渡履帶式裝備運(yùn)輸安全性仿真研究，以期為盡快開(kāi)通履帶式裝備運(yùn)輸提供技術(shù)支撐。

1 虛擬樣機(jī)的建立

1.1 裝載加固系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

“粵海鐵1號(hào)”輪渡船有上甲板和鐵路輪渡甲板兩層可用于貨運(yùn)[1]。在鐵路輪渡甲板上，列車軌道通過(guò)嵌入的方式直接安裝在甲板上。甲板上配有快速捆綁系統(tǒng)，用來(lái)固定車列，以克服惡劣海況下船舶縱搖、橫搖和垂蕩所產(chǎn)生的慣性力。車列的加固方式主要有3種：①車輪下墊放止輪器，以克服縱向慣性力；②利用垂向螺桿支撐器將列車底部頂住，以克服橫向搖擺；③利用高強(qiáng)度的捆綁裝置在車列左右兩側(cè)將其拉住，以克服縱向和橫向慣性力。在先前的研究中[2]，已對(duì)上述加固方式進(jìn)行過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，通過(guò)這3種方式加固的車列穩(wěn)定性良好，不會(huì)發(fā)生橫向傾覆。

99A坦克是典型的履帶式裝備，由炮塔、車體、懸掛、負(fù)重輪、主動(dòng)輪、誘導(dǎo)輪和履帶系統(tǒng)等部件組成，按照現(xiàn)行的鐵路軍事運(yùn)輸裝載標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施裝載和加固。裝載后，99A坦克的縱向中心線與鐵路平車的縱軸線重合，不偏重。履帶板由平車木質(zhì)地板支撐，使用4塊方木分別抵住左右兩條履帶的前后，并用扒釘將方木固定在地板上，同時(shí)通過(guò)鋼絲繩進(jìn)行捆綁加固。海浪載荷作用于船舶，通過(guò)鐵路輪渡甲板傳遞到平車，進(jìn)而作用于坦克，坦克隨船舶做蕩動(dòng)與搖擺。

1.2 裝載系統(tǒng)三維實(shí)體模型的建立

虛擬樣機(jī)仿真，首先需要建立各部件的三維實(shí)體模型，并裝配成一體，這是建立動(dòng)力學(xué)仿真的基礎(chǔ)。履帶式裝備的裝載加固模型部件數(shù)量多，外觀復(fù)雜，而ADAMS實(shí)體建模功能較弱，不夠完善，在ADAMS/View中難以完成零部件的建模與裝配。因此，本文借助Pro/Engineering(Pro/E)軟件來(lái)完成實(shí)體建模和裝配工作。

在建立各部件三維實(shí)體模型過(guò)程中，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。運(yùn)輸安全重點(diǎn)關(guān)注的是各部件的外形尺寸和質(zhì)量特性，部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和局部細(xì)節(jié)對(duì)運(yùn)輸安全的影響微乎其微，因此，可將運(yùn)動(dòng)關(guān)系一致且不會(huì)影響整個(gè)機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)動(dòng)作的構(gòu)件合并為一個(gè)剛體。將99A式坦克簡(jiǎn)化為炮塔、車體、懸掛、負(fù)重輪、主動(dòng)輪、誘導(dǎo)輪和履帶系統(tǒng)共7個(gè)部分，將鐵路平車視為一個(gè)整體。

1.3 模型轉(zhuǎn)換

完成99A坦克裝載加固系統(tǒng)Pro/E實(shí)體建模后，將模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中。將Pro/E模型保存成Parasolid、STP等通用的中間格式，然后利用ADAMS中File/Import功能將其導(dǎo)入到ADAMS中，即使用Parasolid文件標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行三維建模軟件與仿真分析軟件之間的圖形傳遞。

1.4 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于上文履帶式裝備裝載加固系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，當(dāng)平車可靠加固后，平車與鐵路輪渡甲板可以視為一體。海浪對(duì)船舶的作用等效于作用在平車上，認(rèn)為將海浪載荷輸入直接作用于平車質(zhì)心，作為履帶式裝備裝載加固系統(tǒng)的載荷輸入。模型中兩不同部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系有轉(zhuǎn)動(dòng)、固定、接觸、彈簧阻尼器以及扭轉(zhuǎn)彈簧阻尼器等。驅(qū)動(dòng)主要采用點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方式施加。履帶式裝備裝載加固系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系如圖1所示，C為碰撞接觸，F(xiàn)為固定副，R為轉(zhuǎn)動(dòng)副，S為彈簧，M為點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，TS為扭轉(zhuǎn)彈簧。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)主要模型構(gòu)建

2.1 碰撞接觸模型

碰撞接觸模型主要用于坦克履帶與鐵路平車底板的接觸。在ADAMS中，碰撞接觸模型將碰撞過(guò)程根據(jù)Dubosky彈簧-阻尼接觸理論來(lái)計(jì)算接觸力。采用碰撞函數(shù)方法所建立的接觸力模型為

(1)

c=step(g,0,0，Dmax，Cmax)

式中：k為物體之間的接觸剛度；g為兩接觸面間的穿透深度；e為力的非線性作用指數(shù)；c為阻尼系數(shù)；step( )為一個(gè)階梯函數(shù)；Dmax為阻尼達(dá)到最大值時(shí)的穿透深度；Cmax為最大阻尼系數(shù)，其大小根據(jù)材料特性選定。step( )函數(shù)的引入是為了避免非接觸狀態(tài)產(chǎn)生阻尼力。

履帶與鐵路平車底板之間接觸的靜摩擦力，是防止99A坦克在平車上移動(dòng)的主要作用力。利用Coulomb摩擦定律計(jì)算切向摩擦力。摩擦系數(shù)的計(jì)算公式為

(2)

式中：v、vs、vd分別為相對(duì)滑移速度、靜摩擦臨界速度和動(dòng)摩擦臨界速度；μs，μd為靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)；sign( )為符號(hào)函數(shù)。

2.2 鋼絲繩捆綁模型

根據(jù)加固方案，99A坦克在平車上的固定是利用鋼絲繩分別捆住其前、后端，在兩端各拉成一個(gè)八字形(或交叉形)，拴于平車?yán)K栓或支柱槽上。根據(jù)鋼絲繩捆綁作用效果，采用彈簧模型來(lái)表征。鋼絲捆綁模型為

(3)

2.3 虛擬樣機(jī)模型

本文建立的履帶式裝備裝載加固系統(tǒng)虛擬樣機(jī)中共有38個(gè)剛體，總自由度數(shù)為10個(gè)。虛擬樣機(jī)模型如圖2所示。

圖2 虛擬樣機(jī)模型

2.4 載荷輸入

船舶受到海浪的作用后，會(huì)圍繞其原始位置做6個(gè)自由度的搖蕩運(yùn)動(dòng)。其中：圍繞通過(guò)船體質(zhì)心的3個(gè)方向往復(fù)振蕩分別稱為縱蕩、橫蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)；繞上述3個(gè)方向的角振蕩則分別稱為橫搖、縱搖和艏搖。根據(jù)項(xiàng)目研究的目的，本文主要關(guān)注的是橫搖與垂蕩的運(yùn)動(dòng)。

船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)近似接近簡(jiǎn)諧振蕩[3]，設(shè)定船體在瓊州海峽大海中的橫搖和垂蕩都為諧振動(dòng)，則有

θ=θ0·sin(2πft)

(4)

s=s0·sin(2πft)

(5)

式中：θ為t時(shí)刻船舶橫搖離開(kāi)平衡位置的角度，且規(guī)定向左搖擺的方向?yàn)檎?；?為最大橫搖角度；s為t時(shí)刻船舶垂蕩離開(kāi)平衡位置的位移，且規(guī)定向上運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)檎?；s0為最大垂蕩位移；f為振蕩的頻率，與振蕩周期T的關(guān)系為f=1/T。

在垂向上，利用式(5)對(duì)t求一次導(dǎo)數(shù)和二次導(dǎo)數(shù)，可得到垂蕩運(yùn)動(dòng)的速度和加速度，進(jìn)而可得到最大垂向加速度：

s′=2πf·s0·cos(2πft)

(6)

s″=-4π2f2·s0·sin(2πft)

(7)

s″max=4π2f2·s0

(8)

式中：s′為垂蕩運(yùn)動(dòng)的速度；s″為垂蕩運(yùn)動(dòng)的加速度；s″max為最大垂向加速度；f為垂蕩頻率，若已知垂蕩周期T，可按照f(shuō)=1/T式求出。

因此，當(dāng)已知s″max、振蕩周期T時(shí)，可以計(jì)算得出最大垂向位移s0為

(9)

在適航的海況條件下，船舶的搖蕩周期在4～12 s范圍內(nèi)。仿真試驗(yàn)分別取周期范圍兩端的極限值進(jìn)行計(jì)算(周期4 s與周期12 s)。通過(guò)查閱《貨物堆裝和系固安全操作規(guī)則》并進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，得到在不同風(fēng)浪等級(jí)下，垂蕩最大加速度、垂蕩最大位移、橫搖最大角度與風(fēng)浪等級(jí)的關(guān)系(見(jiàn)表1)。

表1 垂蕩最大加速度及位移、橫搖最大角度

根據(jù)表1可得出不同風(fēng)浪等級(jí)下渡輪橫搖、垂蕩運(yùn)動(dòng)的方程。例如，當(dāng)風(fēng)浪等級(jí)為6級(jí)風(fēng)/3.0 m浪高，且周期為4 s時(shí)，將s0=0.698 1 m，θ0=6.60°，f=1/T=1/4=0.25 Hz代入式(4)、式(5)中，可得該風(fēng)浪等級(jí)下渡輪橫搖、垂蕩的方程：

θ=θ0·sin(2πft)=6．60·sin(1.570 8·t)

(10)

s=s0·sin(2πft)=0.691 8·sin(1.570 8·t)

(11)

將該橫搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)作為模型載荷，運(yùn)動(dòng)曲線如圖3、圖4所示。

圖3 “6級(jí)風(fēng)/3.0 m浪/周期4 s”橫搖的運(yùn)動(dòng)曲線

圖4 “6級(jí)風(fēng)/3.0 m浪/周期4 s” 垂蕩的運(yùn)動(dòng)曲線

3 動(dòng)力學(xué)仿真

根據(jù)《瓊州海峽火車渡船模型耐波性試驗(yàn)報(bào)告》，在極限狀態(tài)下輪渡車列及裝備縱向加速度最大值為0.101 g，比鐵路運(yùn)輸中車列及裝備受到的縱向加速度小得多，裝備按現(xiàn)行《鐵路軍事運(yùn)輸裝載標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行裝載加固，能夠滿足列車上船后縱向穩(wěn)定性要求。因此，仿真計(jì)算時(shí)，主要校核渡輪傾角和貨物各向加速度同時(shí)達(dá)到最大值時(shí)裝備的橫向傾覆穩(wěn)定性與橫向滑動(dòng)特性?；诒?垂向最大加速度及位移、橫擺角對(duì)應(yīng)的最大位移值，通過(guò)給平車質(zhì)心施加垂向運(yùn)動(dòng)位移與橫擺角運(yùn)動(dòng)載荷，選取4種風(fēng)浪等級(jí)、2種極限周期，共8種典型海況進(jìn)行仿真分析。不同海況、不同周期下動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果見(jiàn)表2。

4 結(jié) 論

(1)在船舶的相同搖擺周期下，隨著海浪等級(jí)的增大，99A式坦克的垂直最大位移、橫搖最大角、履帶相對(duì)于平車的橫向滑移最大距離以及鋼絲繩的最大受力都增大。

(2)在相同海浪等級(jí)下，隨著船舶搖擺周期的下降，搖擺頻率提高，99A式坦克的垂直最大位移變小，而車體橫搖最大角、履帶橫向滑移最大距離以及鋼絲繩的最大受力都增大。

(3)在垂向上，通過(guò)對(duì)比車體垂直方向最大加速度值，基本符合安全性要求。

(4)在橫向上，從鋼絲繩的最大受力變化可以看出，鋼絲繩的最大受力出現(xiàn)在8級(jí)風(fēng)、4.5 m浪、周期為4 s的海況下，為170.62 kN，比鋼絲繩的破斷抗拉力205 kN小，說(shuō)明鋼絲繩滿足強(qiáng)度需求。車體在橫向上不會(huì)發(fā)生傾覆和大幅滑動(dòng)，滿足安全性要求。

表2 不同海況、不同周期下動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

(5)基于仿真結(jié)果分析，粵海鐵路輪渡履帶式裝備鐵路運(yùn)輸裝載加固方案基本可行，安全性可以得到保障。

[1] 七O八研究所.“粵海鐵1號(hào)”船貨物系固手冊(cè)[M].上海:七〇八研究所,2002:11-13.

[2] 余貽榮,范靈毓,楊永偉，等.粵海鐵路輪渡輪式裝備運(yùn)輸安全性研究[J].軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào),2016,18(5):9-14.

[3] 李積德.船舶耐波性[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社,2007：101-102．

(編輯：閆曉楓)

Simulation of Crawler Equipment Transport Security on Yuehai Railway Ferry

YU Yirong1, KANG Hang2, FAN Lingyu3

(1.Joint Projection Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；2.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；>3.Unit 96630, Beijing 102206, China)

To verify the security and provide technical reference for transporting crawler equipment with Yuehai railway ferry, the paper establishes simulation model of typical crawler equipment transport with flat wagon based on multi-body software ADAMS (automatic dynamics analysis of mechanical system), and simulates the loading reinforcement scheme under the simulated harsh sea condition. It also analyzes the security of the result. The result shows that the loading reinforcement scheme of crawler equipment transport with Yuehai railway ferry is feasible and safe.

Yuehai railway ferry; crawler equipment; transport security; loading reinforcement

2016-08-21；

2016-09-21．

總后軍交運(yùn)輸部科研計(jì)劃項(xiàng)目(BJJ13J001).

余貽榮(1970—)，男，副教授，碩士研究生導(dǎo)師．

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.12.008

E234

A

1674-2192(2016)12- 0030- 04