徐 亮,金偉平,閆 偉

(1.江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南通 226010;2.舟山嵊泗國(guó)海航運(yùn)有限公司,浙江 舟山 316000)

0 引言

伸縮推進(jìn)器通過(guò)與主推進(jìn)系統(tǒng)、管隧式側(cè)推等推進(jìn)器組合并形成全船定位主要?jiǎng)恿υ?是當(dāng)前船舶動(dòng)力定位和船舶操縱的重要推進(jìn)器。全船推進(jìn)遙控系統(tǒng)根據(jù)不同作業(yè)環(huán)境下的特殊工況,通過(guò)DP動(dòng)力系統(tǒng)能力分析計(jì)算和各推進(jìn)器不同負(fù)載配置,滿足適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境的船舶DP動(dòng)力定位需求。在整個(gè)船舶營(yíng)運(yùn)環(huán)境和船舶設(shè)計(jì)逐漸復(fù)雜化、智能化的前提下,伸縮推進(jìn)器的應(yīng)用越來(lái)越普遍,其可伸縮的特性使正常航行中船舶外部線形得以保持,保證了船舶正常航行性能;同時(shí)在DP動(dòng)力定位的工況需求下,又賦予船舶定位更多的能力和選擇[1]。伸縮推進(jìn)器作為可升降的推進(jìn)器,其推進(jìn)槳部分的整體收放及安裝定位控制直接影響船舶DP動(dòng)力定位系統(tǒng)的可適應(yīng)性。特別是伸縮推進(jìn)器在輸出推進(jìn)力時(shí),由于頸部力臂較大,受水流的反作用力影響力矩也較大,因此在伸縮推進(jìn)器下放區(qū)域的圍井區(qū)域需考慮設(shè)置相應(yīng)的止推裝置或受力結(jié)構(gòu),避免伸縮推進(jìn)器本體產(chǎn)生大的變形。根據(jù)伸縮推進(jìn)器的收放特性,整個(gè)伸縮推進(jìn)器圍井結(jié)構(gòu)因受力而變形的情況需得到有效的控制。此外,止推裝置如何在保證自身安裝精度情況下配合結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行調(diào)整,都值得進(jìn)行更深入的研究[2]。本文以某船伸縮推進(jìn)器圍井結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和伸縮推進(jìn)器止推裝置安裝為例,通過(guò)精度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型式對(duì)整體伸縮推進(jìn)器及附近結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建造進(jìn)行分析。

1 伸縮推進(jìn)器安裝及圍井結(jié)構(gòu)概述

某平臺(tái)供應(yīng)船伸縮推進(jìn)器功率為1 200 kW,其推進(jìn)電機(jī)輸出中心線到螺旋槳軸中心線的高度為6.372 m,伸縮推進(jìn)器下放最大行程為2.697 m。伸縮推進(jìn)器本體基座安裝法蘭面呈凸字型,通過(guò)螺栓和密封與船體基座連接形成固定和密封。船體基座下方結(jié)構(gòu)圍繞伸縮推進(jìn)器升降通道形成圍井結(jié)構(gòu)。相關(guān)伸縮推進(jìn)器安裝型式見(jiàn)圖1。

圖1 伸縮推進(jìn)器安裝型式

整個(gè)伸縮推進(jìn)器通過(guò)液壓泵站驅(qū)動(dòng)液壓油缸完成伸縮行程。當(dāng)伸縮推進(jìn)器下放到最大深度時(shí),本體△型結(jié)構(gòu)與配置的V型止推裝置形成配合間隙。配合間隙推薦值為0.5 mm,可調(diào)整范圍為0.4～0.7 mm。V型止推裝置的設(shè)置主要用于規(guī)范伸縮推進(jìn)器升降活動(dòng)的行程,同時(shí)限制當(dāng)推進(jìn)力增大后整個(gè)垂直段軸頸的變形,將推進(jìn)力的反作用力有效傳遞到船體結(jié)構(gòu)上去。伸縮推進(jìn)器下降后與圍井及止推裝置配合型式見(jiàn)圖2。

圖2 伸縮推進(jìn)器下降后與圍井及止推裝置配合型式

2 伸縮推進(jìn)器基座的結(jié)構(gòu)受力分析

基于伸縮推進(jìn)器自重和整個(gè)伸縮推進(jìn)器工作模式,伸縮推進(jìn)器升降區(qū)域的圍井圍壁、船體基座及伸縮推進(jìn)器頂部支撐需承擔(dān)推進(jìn)器最大功率運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的相應(yīng)受力。伸縮推進(jìn)器基座及附近船體結(jié)構(gòu)需通過(guò)受力分析來(lái)評(píng)估整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足船舶使用要求,以此作為整個(gè)伸縮推進(jìn)器安裝定位的前提。

結(jié)合伸縮推進(jìn)器廠家提供的設(shè)備參數(shù)及受力等數(shù)據(jù),伸縮推進(jìn)器在止推裝置、船體基座、頂部支撐等3個(gè)受力部位的最大受力情況見(jiàn)表1和圖3。

表1 伸縮推進(jìn)器相關(guān)結(jié)構(gòu)受力情況

圖3 伸縮推進(jìn)器相關(guān)結(jié)構(gòu)受力情況

基于廠家數(shù)據(jù),對(duì)伸縮推進(jìn)器基座、圍井圍壁和附近加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,以此來(lái)核實(shí)船體結(jié)構(gòu)受力和變形情況,分別見(jiàn)圖4和圖5。該船伸縮推進(jìn)器船體法蘭基座采用70 mm的厚鋼板,圍井圍壁立板采用厚度為15 mm的鋼板,外圍加強(qiáng)筋板板厚為12 mm,依次向外延伸的船體結(jié)構(gòu)板材厚度為10 mm。加載各數(shù)據(jù)模型分析得出的效果圖顯示:基座法蘭板所受最大應(yīng)力約為4.8 MPa,圍井圍壁立板及外圍加強(qiáng)筋板所受最大應(yīng)力約為25.0 MPa;基座法蘭板及外圍加強(qiáng)筋板最大變形量約為5 mm,外圍加強(qiáng)筋板最大變形量約為4 mm。

圖4 伸縮推進(jìn)器相關(guān)結(jié)構(gòu)受力情況(單位:MPa)

圖5 伸縮推進(jìn)器相關(guān)結(jié)構(gòu)變形情況(單位:mm)

基于整個(gè)受力分析,伸縮推進(jìn)器周邊整個(gè)船體結(jié)構(gòu)存在主要強(qiáng)度來(lái)支撐和傳遞伸縮推進(jìn)器的各種運(yùn)行工況。結(jié)構(gòu)變形中局部變形不至于導(dǎo)致伸縮推進(jìn)器軸系中心線發(fā)生偏移變化,整個(gè)伸縮推進(jìn)器升降通道結(jié)構(gòu)的整體變形量不足以導(dǎo)致伸縮推進(jìn)器△型結(jié)構(gòu)與配置的V型止推進(jìn)器裝置發(fā)生明顯位移。

3 伸縮推進(jìn)器安裝及止推裝置的適應(yīng)性定位

在伸縮推進(jìn)器附近船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足各種運(yùn)行工況的前提下,伸縮推進(jìn)器下降到最大行程后,需要確保與止推裝置的配合間隙,以滿足整體伸縮推進(jìn)器的使用性能并有效傳遞推力。由于止推裝置的配合間隙要求在0.4～0.7 mm之間,伸縮推進(jìn)器正常狀態(tài)下降的整體行程必須考慮整個(gè)圍井圍壁的船體結(jié)構(gòu)制作和焊接變形影響,同時(shí)也要提前核實(shí)伸縮推進(jìn)器正常下降的實(shí)際行程。

3.1 伸縮推進(jìn)器安裝

(1)伸縮推進(jìn)器必須在確保船體強(qiáng)度足夠的前提下,在伸縮推進(jìn)器的船體基座精度確認(rèn)滿足要求后,再進(jìn)行推進(jìn)器的安裝工作,以免產(chǎn)生難以承受的重大偏差。

(2)止推裝置的安裝還需考慮以下問(wèn)題:

①止推裝置所處圍井圍壁的安裝區(qū)域必須在伸縮推進(jìn)器實(shí)際下放后才能具體測(cè)量?jī)蓚?cè)間距,前期提前測(cè)量只存在參考意義,而不能作為完全滿足安裝要求的前置條件;

②如果伸縮推進(jìn)器實(shí)際下放到最大行程位置處,在止推裝置按照安裝間隙要求的推薦值定位的前提下,整個(gè)焊接引起的變形是否能保證止推裝置最終不超過(guò)間隙要求。

因此,基于最終定位的間隙要求,止推裝置安裝定位方案需另尋突破口。

關(guān)于止推裝置與圍井圍壁之間的焊接定位,需考慮以下問(wèn)題:

(1)止推裝置與圍井圍壁焊接過(guò)程中是否會(huì)因焊接應(yīng)力導(dǎo)致V型接觸面的表面變形。

(2)圍井圍壁板厚為15 mm,焊接是否會(huì)導(dǎo)致整個(gè)鋼板表面產(chǎn)生空鼓和凹陷而最終影響定位。

3.2 止推裝置的適應(yīng)性方案

(1)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn),30 mm厚的止推裝置座板與15 mm厚的鋼板焊接后表面變形量控制在0.1 mm左右時(shí),評(píng)估該船存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

因此,將圍井圍壁板板厚從15 mm調(diào)整為30 mm,并通過(guò)一系列焊接工藝的調(diào)整,將鋼板表面焊接變形量控制在0.05 mm以內(nèi)。

(2)圍井圍壁的焊接變化對(duì)精度控制的影響最大,即使圍井圍壁板調(diào)整為板厚30 mm的鋼板后能夠在一定程度上減小焊接應(yīng)力導(dǎo)致的空鼓和凹陷變形,但在此基礎(chǔ)上仍需做好前期定位加強(qiáng)措施。首先在伸縮推進(jìn)器下放到最大行程處時(shí),需根據(jù)止推裝置間隙要求做好定位工作。其次,在整個(gè)止推裝置和其接觸的圍井圍壁定位過(guò)程中,需在圍壁板反面從上下兩端向中間的方向上,不斷做好對(duì)應(yīng)的加強(qiáng)定位工作,確保整個(gè)定位穩(wěn)定、強(qiáng)度充足來(lái)逐步減小變形風(fēng)險(xiǎn)。

在實(shí)際安裝定位工作中,通過(guò)有限元分析、安裝方案制定和焊接工藝調(diào)整。另外,對(duì)設(shè)備本體和V型止推裝置進(jìn)行了細(xì)致測(cè)量,最終止推裝置與圍井圍壁片體先行焊接消除止推裝置焊接變形影響,圍井圍壁片體焊接定位產(chǎn)生的變形量通過(guò)反變形控制最終控制在0.06 mm以內(nèi),伸縮推進(jìn)器下放和回收工作操作情況良好。

4 結(jié)論

(1)隨著船舶自動(dòng)化程度越來(lái)越高,DP系統(tǒng)、推進(jìn)器遙控及自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來(lái)越先進(jìn),伸縮推進(jìn)器的良好性能和靈活使用性使得各類型工程船舶對(duì)伸縮推進(jìn)器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

(2)基于伸縮推進(jìn)器的升降使用特性,船舶設(shè)計(jì)必須圍繞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、船舶受力下的彈性變形影響、伸縮推進(jìn)器定位逐步展開(kāi)研究,制定合理可靠的設(shè)計(jì)方案。

(3)對(duì)于裝載量較大或者調(diào)載工況較為復(fù)雜的船舶,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,應(yīng)同時(shí)考慮伸縮推進(jìn)器相關(guān)局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否適應(yīng)船舶裝載量變化對(duì)整個(gè)船體結(jié)構(gòu)變形的影響。