謝夢琪,楊 光，余 倩，唐 穎，王 高

(1.武漢船舶設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430064；2.武漢漢口機(jī)床廠，湖北 武漢 430056)

0 前言

伴隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代裝備實(shí)力明顯提升。裝備的更新速度在新技術(shù)的扶持下飛速成長，其功能更加多樣化，操作也更加智能化，這就需要在有限空間內(nèi)的部件具有更高的集成性[1]。但此要求對于新型重載設(shè)備進(jìn)入密閉環(huán)境增加了更多的風(fēng)險(xiǎn)和難度[2-4]。在密閉空間內(nèi)，多樣智能化的需求使得各種設(shè)備及連接線路會(huì)占用部分空間，將新型重載設(shè)備送進(jìn)密閉環(huán)境并進(jìn)行位置調(diào)整具有更高的風(fēng)險(xiǎn)性[5-6]。因此，新型重載設(shè)備進(jìn)艙調(diào)整裝置的設(shè)計(jì)是非常重要的。

針對新型重載設(shè)備的進(jìn)艙環(huán)境和技術(shù)需求，文中設(shè)計(jì)了一種進(jìn)艙調(diào)整裝置。新型重載設(shè)備在進(jìn)入極度有限的密閉環(huán)境中需要避免出現(xiàn)其他內(nèi)部設(shè)備的干涉情況，并進(jìn)行最終固定位置的精細(xì)調(diào)整，此時(shí)相關(guān)部件進(jìn)行糾偏動(dòng)作，保證重載設(shè)備最終可在指定位置安裝固定。

1 進(jìn)艙調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)艙調(diào)整裝置如圖1所示，主要由進(jìn)艙平臺(tái)、推進(jìn)裝置和調(diào)整油缸三大部分組成。進(jìn)艙平臺(tái)作為新型重載設(shè)備進(jìn)艙前的初始位置調(diào)整及承載機(jī)構(gòu)；推進(jìn)裝置作為重載設(shè)備進(jìn)艙的移動(dòng)載體，完成由驅(qū)動(dòng)裝置推進(jìn)密閉空間的動(dòng)作；調(diào)整油缸作為新型重載設(shè)備進(jìn)入密閉空間后的位置微調(diào)工具，確保重載設(shè)備調(diào)整到最終安裝位置，方便進(jìn)行后續(xù)安裝操作。

圖1 進(jìn)艙調(diào)整裝置總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 進(jìn)艙平臺(tái)

進(jìn)艙平臺(tái)是矩形鋼與鋼板焊接而成的框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示，下部支撐腳為升降油缸與機(jī)械鎖緊裝置配套安裝，保證重載設(shè)備在進(jìn)艙前長時(shí)間的承載狀態(tài)，以及平臺(tái)可根據(jù)密閉空間位置匹配調(diào)整重載設(shè)備的初始高度位置等。待進(jìn)艙平臺(tái)根據(jù)密閉空間高度調(diào)整到位后，可切換機(jī)械鎖緊裝置保證長時(shí)間的平臺(tái)高度不變，為后續(xù)重載設(shè)備進(jìn)艙做好準(zhǔn)備。

圖2 進(jìn)艙平臺(tái)結(jié)構(gòu)

1.2 推進(jìn)裝置

推進(jìn)裝置由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、壓載小車、可調(diào)整式軌道等部分組成，如圖3、圖4所示。由于密閉空間內(nèi)的布置要求，壓載小車將重載設(shè)備運(yùn)送至密閉空間后需完全退出，因此壓載小車設(shè)計(jì)為懸臂梁式，端頭跨距下部固定有液壓馬達(dá)和齒輪等驅(qū)動(dòng)裝置。方便適應(yīng)密閉空間使用需求，在進(jìn)艙平臺(tái)上表面安裝有可左右調(diào)整跨距的軌道安裝基座，行走軌道放置在軌道安裝基座內(nèi)，兩端部分別布置有平移油缸組，便于行走軌道的跨距調(diào)整及固定。

圖3 推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖4 推進(jìn)裝置側(cè)視圖

1.3 調(diào)整油缸

新型重載設(shè)備進(jìn)入密閉空間內(nèi)后，需要進(jìn)行設(shè)備位置微調(diào)，待調(diào)整到預(yù)安裝位置時(shí)進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的連接固定，拆除油缸撤出密閉空間。

調(diào)整油缸包含頂升油缸和三維油缸，分別安裝在密閉空間內(nèi)上部基座平臺(tái)上，頂升油缸滿足重載設(shè)備在密閉空間內(nèi)部的垂向位移調(diào)節(jié)，三維油缸滿足重載設(shè)備在密閉空間內(nèi)的垂向、縱向、橫向的位移調(diào)節(jié)。

圖5 調(diào)整油缸布置圖

2 關(guān)鍵部件有限元分析

進(jìn)艙平臺(tái)和壓載小車是主要承載件，通過有限元軟件分析其在額定載荷下的變形狀態(tài)，以校核其強(qiáng)度能否滿足。

基于ANSYS workbench對進(jìn)艙平臺(tái)、壓載小車等關(guān)鍵部件進(jìn)行靜態(tài)分析[7]。首先通過Solidworks軟件進(jìn)行建模，并對模型進(jìn)行簡化處理，減少對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算較少影響的部分設(shè)計(jì)[8]。

2.1 進(jìn)艙平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析

進(jìn)艙平臺(tái)所用鋼材均為Q235B普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，其材料參數(shù)如表1所示[9]。

表1 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼材料參數(shù)

根據(jù)實(shí)際使用情況，重載設(shè)備重量約為250 t，考慮一定安全系數(shù)，最終取施加載荷300 t進(jìn)行校核[10]。

新型重載設(shè)備對進(jìn)艙平臺(tái)的重力載荷主要分為兩種工況。工況1為重載設(shè)備初始狀態(tài)時(shí)，其重力載荷主要作用在平臺(tái)中部上表面，如圖6所示；工況2維重載設(shè)備推進(jìn)至一半行程時(shí)，其重力載荷主要作用在平臺(tái)的前半部分的上表面，如圖7所示。

圖6 進(jìn)艙平臺(tái)工況1受力加載圖

圖7 進(jìn)艙平臺(tái)工況2受力加載圖

分析結(jié)果如圖8所示，氧罐運(yùn)輸過程中，進(jìn)艙平臺(tái)在承受3 000 000 N的重量下，產(chǎn)生的最大變形量為1.06 mm，發(fā)生在進(jìn)艙平臺(tái)前半部分的中部位置，主要在與軌道接觸的上表面，變形量為平臺(tái)總高度的0.4‰，小于平臺(tái)高度或?qū)挾鹊?%；產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力為69.86 MPa，發(fā)生在平臺(tái)中部的垂向支柱上，小于許用等效應(yīng)力[σs]=188 MPa；產(chǎn)生的最大剪切應(yīng)力為24.12 MPa，發(fā)生在平臺(tái)中部與軌道接觸的上表面，小于許用剪切應(yīng)力s=92 MPa。綜上所述，在工況1的載荷作用下，進(jìn)艙平臺(tái)產(chǎn)生的等效應(yīng)力、剪切應(yīng)力、變形量等均在允許范圍內(nèi)，進(jìn)艙平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。

圖8 進(jìn)艙平臺(tái)工況1位移云圖

圖9 進(jìn)艙平臺(tái)工況1應(yīng)力云圖

類似于工況1，僅平臺(tái)受力位置發(fā)生了變化。

氧罐運(yùn)輸至行程一半后，進(jìn)艙平臺(tái)在承受3 000 000 N的重量下，產(chǎn)生的最大變形量為2.09 mm，發(fā)生在進(jìn)艙平臺(tái)后半部分的中部位置，主要在與軌道接觸的上表面，變形量為平臺(tái)總高度的0.8‰，小于平臺(tái)高度或?qū)挾鹊?%；產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力為125.91 MPa，發(fā)生在平臺(tái)前半部分的垂向支柱上，小于許用等效應(yīng)力[σs]=188 MPa；產(chǎn)生的最大剪切應(yīng)力為37.83 MPa，發(fā)生在平臺(tái)前半部分與軌道接觸的上表面，小于許用剪切應(yīng)力s=92 MPa。綜上所述，在工況二的載荷作用下，進(jìn)艙平臺(tái)產(chǎn)生的等效應(yīng)力、剪切應(yīng)力、變形量等均在允許范圍內(nèi)，進(jìn)艙平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。

圖10 進(jìn)艙平臺(tái)工況2位移云圖

圖11 進(jìn)艙平臺(tái)工況2應(yīng)力云圖

2.2 壓載小車結(jié)構(gòu)分析

壓載小車臺(tái)面材料同進(jìn)艙平臺(tái)一樣的結(jié)構(gòu)鋼；小車輥輪、銷軸等重要零部件所用鋼材為45號(hào)鋼，屈服強(qiáng)度σ=600 MPa;許用應(yīng)力為[σs]=355 MPa[7]。

壓載小車承載部分設(shè)計(jì)成楔形平臺(tái)，部分平面與氧罐下部輔助平板接觸，接觸面承載氧罐浮筏等重量，如圖12所示；同時(shí)，壓載小車驅(qū)動(dòng)部分上表面放置有壓塊，即另外承受壓塊重量，如圖13所示。

圖12 12/13/14 壓載小車受力加載圖

考慮壓載小車承載變形時(shí)，可將小車輥輪的切線確定為與下部軌道的接觸位置，如圖14所示。

根據(jù)實(shí)際情況，液氧罐、浮筏及其他附件的總重量約為250 t，考慮部分余量，暫定按總重300 t進(jìn)行計(jì)算校核；壓載小車通過液壓馬達(dá)進(jìn)行動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，小車下部設(shè)計(jì)有齒輪齒條進(jìn)行傳遞，必然會(huì)產(chǎn)生部分垂向分力，為了保證壓載小車的穩(wěn)定移動(dòng)，在壓載過程中需在小車上放置壓塊，計(jì)算小車承載變形時(shí)，此壓塊影響情況應(yīng)納入計(jì)算范疇；因此既需要考慮液氧罐重量，力F1=3 000 000 N；又需要考慮壓塊重量，力F2=100 000N。

壓載小車承受重3 000 000 N的液氧罐后，最大變形量為1.01 mm，發(fā)生在壓載小車尾部平面上如圖15所示；最大集中應(yīng)力為264.93 MPa，發(fā)生在靠近小車尾部的某一輥輪與軌道截面接觸處，如圖16所示。

圖15 壓載小車位移云圖

圖16 壓載小車應(yīng)力云圖

通過以上計(jì)算，可以看出進(jìn)艙平臺(tái)與壓載小車在設(shè)計(jì)載荷工況下，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的承載能力滿足要求。

3 進(jìn)艙調(diào)整流程

由于重載設(shè)備的推進(jìn)要求和使用條件的變化，根據(jù)此進(jìn)艙調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，優(yōu)化后的新型重載設(shè)備進(jìn)艙調(diào)整流程能更有效的進(jìn)行，保證裝備的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

重載設(shè)備吊裝：使用現(xiàn)場吊機(jī)等起重設(shè)備將設(shè)備吊運(yùn)至壓載小車上；

重載設(shè)備進(jìn)艙：啟動(dòng)推進(jìn)裝置，使壓載小車托運(yùn)重載設(shè)備送入密閉空間內(nèi)指定位置后停機(jī)；

頂升油缸及三維油缸安裝：頂升油缸和三維油缸分別放置在艙內(nèi)兩側(cè)上部基座的指定處，并將油缸配件(軟管、閥件等)可靠連接；

三維油缸頂升：啟動(dòng)三維油缸，將重載設(shè)備頂升指定高度，使重載設(shè)備與壓載小車脫離；

壓載小車撤離：啟動(dòng)推進(jìn)裝置，將壓載小車撤出密閉空間，返回至進(jìn)艙平臺(tái)指定位置處待命；

三維油缸調(diào)整：啟動(dòng)艙內(nèi)三維油缸，調(diào)整重載設(shè)備在艙段內(nèi)的縱向和橫向位置，使重載設(shè)備與預(yù)定安裝位置對齊；

啟動(dòng)頂升油缸：啟動(dòng)頂升油缸，支撐重載設(shè)備全部重量，使重載設(shè)備與三維油缸分離指定距離；

安裝其他部件：撤出三維油缸及液壓管路，在四角的基座上安裝相關(guān)裝置；

設(shè)備固定與安裝：頂升油缸降低，將重載設(shè)備安裝固定，其他設(shè)備安裝；

壓載小車拆除：將壓載小車從進(jìn)艙平臺(tái)上拆除；

軌道及進(jìn)艙平臺(tái)拆除：將進(jìn)艙軌道從進(jìn)艙平臺(tái)上拆除后拆除進(jìn)艙平臺(tái)。

4 結(jié)論

結(jié)合新型重載設(shè)備的進(jìn)艙需求和條件限制，提出了一種適用于新型重載設(shè)備的進(jìn)艙調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；并基于三維建模及仿真分析軟件，在虛擬環(huán)境下對進(jìn)艙平臺(tái)和壓載小車等關(guān)鍵部件使用工況進(jìn)行了仿真分析，均可滿足使用需求；同時(shí)優(yōu)化了重載設(shè)備進(jìn)艙動(dòng)作，提出了一種全新的重載設(shè)備進(jìn)艙調(diào)整流程，提高了進(jìn)艙調(diào)整動(dòng)作的可靠性及安全性。