班國珍

（上海振華重工（集團(tuán)）有限公司，上海 200125）

0 引言

引船系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容主要包括有牽引系統(tǒng)、引船軌道、牽引小車、橫向定位車等[1]。其中，牽引系統(tǒng)的設(shè)計主要為牽引絞車、張緊滑輪等的設(shè)計工作。一般而言，除了牽引絞車和張緊滑輪相對標(biāo)準(zhǔn)，可直接選擇外，其他產(chǎn)品均不具有標(biāo)準(zhǔn)性，均需單獨設(shè)計才能迎合工程需求。其中引船軌道、牽引小車和橫向定位車配套使用，每座船塢通常根據(jù)需求配置2臺牽引小車以及若干臺橫向定位車，牽引小車和橫向定位車體積相對比較小，自重輕，鋼材使用量不多；而引船軌道沿著船塢兩側(cè)布置，長度是隨著船塢長度進(jìn)行設(shè)計，因此自重重，鋼材使用量多，在整個引船系統(tǒng)中成本占用的比重大。因此對引船軌道進(jìn)行輕量化設(shè)計，可以有效地降低引船系統(tǒng)的建造成本。

以長360 m寬80 m船塢為例，在保證引船軌道和牽引小車強(qiáng)度等滿足工作要求前提下，用Pro/MECHANICA軟件的結(jié)構(gòu)分析模塊分別對該引船軌道和牽引小車進(jìn)行有限元分析計算進(jìn)行論述,探討降低引船軌道、牽引小車以及橫向定位車的建造成本的設(shè)計方法。

1 引船軌道截面型式

為了維護(hù)和更換簡便，近些年來，引船軌道已經(jīng)很少采用混泥土方式建造引船軌道，改用方便拆卸更換維護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)軌道式建造，即軌道為焊接件或鑄鋼件，整體機(jī)加工成型后用螺栓固定于塢壁上，其中包含有鉤式引船小車軌道、斜工字型軌道、正工字型軌道、箱型截面正工字型等[2]。目前，針對受力很大的大型船塢，使用較多的軌道形式是箱型截面正工字型形式。該型軌道截面由四塊鋼板圍焊而成，為加強(qiáng)軌道剛度截面，內(nèi)設(shè)置縱橫隔板。上翼板作為垂直導(dǎo)輪和反滾輪軌道，腹板作為水平輪軌道，在與導(dǎo)輪接觸的平面上覆蓋一層鋼板條作為軌道踏面，這樣能在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的同時，方便軌道面的加工。同時這種軌道能適應(yīng)拖鉤向上和向下不超過23°的各種工況，并且其側(cè)向強(qiáng)度很高，能牽引噸位較大的船舶。同時，該型軌道因其截面的幾何特性好，穩(wěn)定性高、剛度強(qiáng)、形狀整齊，引船小車在牽引作業(yè)時受力均衡，因此得到較為廣泛的應(yīng)用。本案例屬于大型船塢，因此本軌道型式選擇箱型截面正工字型型式。

2 引船軌道設(shè)計

本引船軌道采用箱型截面正工字型型式，材料采用Q345B。引船軌道與基礎(chǔ)之間采用地腳螺栓連接，螺栓間距暫定為400 mm×400 mm，在軌道埋件上焊接抗剪塊。牽引小車滾輪布置方式相同，兩種小車長度為2400 mm，施加定位力反滾輪間距為900 mm。根據(jù)上述計算施加橫向力后，牽引小車受力如圖1所示。

圖1 牽引小車受力簡圖

其力學(xué)平衡方程如下：

經(jīng)計算：

由上式可知，在橫向定位力大小一定的情況下，其“出繩距離地面的高度（H1）”和“定位車上垂直滾輪和反滾輪的間距（L1）”直接決定軌道的受力大小，所以設(shè)計定位車時應(yīng)盡量降低H1高度，并加大L1。降低H1主要受橫向定位車布局的限制，在允許的情況下應(yīng)盡量降低；加大L1就必須增加軌道的寬度，由于船塢引船軌道一般很長，增大了軌道的寬度，勢必極大地增加軌道的用鋼量，不利于軌道的輕量化設(shè)計，經(jīng)濟(jì)性欠缺。另外軌道是安裝在塢壁沉箱上的，還會受到沉箱結(jié)構(gòu)的諸多限制，設(shè)計軌道時還應(yīng)統(tǒng)籌考慮。

由以上計算分析可知，引船過程中軌道會受到較大的橫向力，引船軌道是由螺栓固定在塢墻上的，而普通螺栓承受橫向力的能力較弱，單獨使用螺栓連接效果較差。在實際工程中，軌道安裝調(diào)整完成后可在軌道預(yù)埋件上焊接抗剪塊，這樣可以抵消螺栓所受到的橫向力，以下結(jié)構(gòu)計算中也是按照有抗剪塊計算的。

Pro/MECHANICA是美國PTC公司研制的一套有限元計算軟件，該軟件可與Pro/ENGINEER完全無縫集成。該軟件可以直接利用Pro/ENGINEER的幾何模型進(jìn)行有限元分析，由于Pro/ENGINEER具有強(qiáng)大的參數(shù)化功能，在Pro/MECHANICA中就可以利用這種參數(shù)化的工具優(yōu)點，進(jìn)行模型的靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計。具體地說，就是當(dāng)模型的一個或多個參數(shù)在一定的范圍內(nèi)變化時，求解出滿足一定設(shè)計目標(biāo)（如質(zhì)量最小、應(yīng)力最小）的最優(yōu)化幾何形狀。

首先，不設(shè)橫向定位車的船塢進(jìn)行軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其引船軌道截面如圖2。將該軌道在Pro/ENGINEER中建模，并將模型在Pro/MECHANICA Wildfire5.0的MECHANICA Structure模塊中進(jìn)行有限元分析，以求得最優(yōu)的軌道截面型式。按照圖2施加后計算，軌道應(yīng)力分布如圖3所示。

圖2 軌道截面（一）

圖3 軌道應(yīng)力分布圖（一）

由應(yīng)力分布圖3可見，軌道受力較為均勻，局部最大應(yīng)力達(dá)到507 MPa，最大應(yīng)力產(chǎn)生在垂直輪作用位置。本計算是按照實際橫向定位車施加作用力的，橫向定位車每側(cè)各設(shè)4個反滾輪，受空間限制垂直滾輪每側(cè)只設(shè)2個，而軌道上兩側(cè)翼板上所受到的力基本相同，這就使單個垂直滾輪輪壓大于反滾輪輪壓。水平滾輪設(shè)在定位車最下緣，經(jīng)計算水平滾輪輪壓小于反滾輪輪壓，根據(jù)空間位置在軌道每側(cè)設(shè)兩個。

加定位車前，被牽引船舶的橫行位移是靠船塢兩側(cè)的絞盤承受的，引船軌道只承受牽引力的橫向分量。而加定位車后所有橫向力均由引船軌道承受，所以引船軌道應(yīng)按照承受橫向定位力設(shè)計。將軌道截面材料均勻增大（圖4），同時為了進(jìn)一步降低軌道受力，增加軌道可靠性，嘗試在軌道內(nèi)部增加隔板。首先，設(shè)置隔板數(shù)量與螺栓數(shù)量相等，并與螺栓設(shè)在同一剖面位置，施加外力后，其應(yīng)力分布如圖5所示。由圖5可見，增加隔板后應(yīng)力值整體減小，軌道上翼板應(yīng)力分布基本未發(fā)生變化，但軌道受水平輪作用的腹板處應(yīng)力分布改變比較明顯。應(yīng)力值最大值出現(xiàn)在反滾輪作用的上翼板腹板與腹板的連接處（如圖6）。原因是：在4個水平輪中，該處距離軌道內(nèi)設(shè)置的隔板距離最近，所以該處剛度最大、變形最小、應(yīng)力最大。

分析以上計算過程，可以得出以下結(jié)論：在引船軌道內(nèi)設(shè)置隔板是增加軌道整體性降低最大應(yīng)力值的有效方法，同時這個方法可以有效控制軌道的自重。

圖4 軌道截面（二）

圖5 軌道應(yīng)力分布圖（二）

圖6 軌道應(yīng)力分布圖（三）

3 牽引小車和定位車的設(shè)計

牽引小車和橫向定位車沿引船軌道運行，除承受縱向拉力外，還要承受橫向傾覆力，設(shè)計時主要考慮橫向力對結(jié)構(gòu)的影響。牽引小車和橫向定位車結(jié)構(gòu)基本相同，都是由脫鉤裝置、車架、行走機(jī)構(gòu)、雙反托輪和水平輪組成。他們的不同點是其與鋼絲繩的連接方式不同，牽引小車與鋼絲繩由卸扣直接連接，而橫向定位車由一套夾繩機(jī)構(gòu)與鋼絲繩連接。在受力上，橫向定位車主要承受橫向定位力，牽引小車承受橫向力較橫向定位車小，但承受縱向力較大。牽引小車和橫向定位車的行走機(jī)構(gòu)、雙反托輪和水平輪布置（圖7）。

圖7 牽引小車（定位車）結(jié)構(gòu)布置圖

牽引小車（橫向定位車）的車架受力見圖7b，對車架進(jìn)行有限元分析，應(yīng)力分布如圖8所示。結(jié)果顯示，車架整體強(qiáng)度滿足要求，但在受力集中的部位仍需加強(qiáng)。例如，可在走輪軸孔處適當(dāng)加厚，增大水平輪的支撐面積。

圖8 定位車受力分布圖

4 結(jié)語

在實際使用過程中，引船軌道、牽引小車以及橫向定位車都運行良好，可見本設(shè)計方法是行之有效及經(jīng)得起時間考驗的，引船軌道和牽引小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的。同時，為以后的同類型產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計具有現(xiàn)實指導(dǎo)借鑒意義。