班國(guó)珍
(上海振華重工(集團(tuán))有限公司,上海 200125)
引船系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)主要為牽引絞車、張緊滑輪等的設(shè)計(jì)工作。一般而言,除了牽引絞車和張緊滑輪相對(duì)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(dú)設(shè)計(jì)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(tái)牽引小車以及若干臺(tái)橫向定位車,牽引小車和橫向定位車體積相對(duì)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(zhǎng)度是隨著船塢長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì),因此自重重,鋼材使用量多,在整個(gè)引船系統(tǒng)中成本占用的比重大。因此對(duì)引船軌道進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),可以有效地降低引船系統(tǒng)的建造成本。
以長(zhǎng)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(duì)該引船軌道和牽引小車進(jìn)行有限元分析計(jì)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(jì)方法。
為了維護(hù)和更換簡(jiǎn)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(duì)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(shí),方便軌道面的加工。同時(shí)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(shí),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(shí)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。
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(zhǎng)度為2400 mm,施加定位力反滾輪間距為900 mm。根據(jù)上述計(jì)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(jiǎn)圖
其力學(xué)平衡方程如下:
經(jīng)計(jì)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(jì)定位車時(shí)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(zhǎng),增大了軌道的寬度,勢(shì)必極大地增加軌道的用鋼量,不利于軌道的輕量化設(shè)計(jì),經(jīng)濟(jì)性欠缺。另外軌道是安裝在塢壁沉箱上的,還會(huì)受到沉箱結(jié)構(gòu)的諸多限制,設(shè)計(jì)軌道時(shí)還應(yīng)統(tǒng)籌考慮。
由以上計(jì)算分析可知,引船過程中軌道會(huì)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(dú)使用螺栓連接效果較差。在實(shí)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(jì)算中也是按照有抗剪塊計(jì)算的。
Pro/MECHANICA是美國(guó)PTC公司研制的一套有限元計(jì)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(diǎn),進(jìn)行模型的靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體地說,就是當(dāng)模型的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)在一定的范圍內(nèi)變化時(shí),求解出滿足一定設(shè)計(jì)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(jì),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?qǐng)D2施加后計(jì)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(jì)算是按照實(shí)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(gè)反滾輪,受空間限制垂直滾輪每側(cè)只設(shè)2個(gè),而軌道上兩側(cè)翼板上所受到的力基本相同,這就使單個(gè)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(jì)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(gè)。
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(jì)。將軌道截面材料均勻增大(圖4),同時(shí)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(gè)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(jì)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(shí)這個(gè)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)
牽引小車和橫向定位車沿引船軌道運(yùn)行,除承受縱向拉力外,還要承受橫向傾覆力,設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮橫向力對(duì)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(diǎn)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(duì)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
在實(shí)際使用過程中,引船軌道、牽引小車以及橫向定位車都運(yùn)行良好,可見本設(shè)計(jì)方法是行之有效及經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)的,引船軌道和牽引小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。同時(shí),為以后的同類型產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)借鑒意義。