基于SolidWorks的黃河破冰船輔助破冰設(shè)計及分析

賈書源

（華北水利水電大學(xué) 機械學(xué)院，河南 鄭州450011）

黃河凌汛是我國北方河流特有的一種現(xiàn)象，由于黃河流經(jīng)緯度跨度大，各地區(qū)每年冬春兩季封河和開河時間有較大差異，一旦下游冰凌堵塞河道，上游河水流過，水位將被抬高，很容易發(fā)生漫壩、潰堤事故[1]。傳統(tǒng)的炮擊方法效率低下，危險系數(shù)高，環(huán)境危害大，研究出一種工作靈活、破冰能力強的機械式黃河破冰船迫在眉睫[2]。

1 黃河破冰船的整體設(shè)計

黃河水淺，河面上方低空建筑物多，傳統(tǒng)的依靠大噸位船身爬到冰面上破冰的方法受到了較大限制[3]。為保障破冰能力，根據(jù)河道需要，盡可能增大船身寬度，船艏至船底加厚鋼板，并通過焊接方式安裝冰刀，增強破冰能力。

船體內(nèi)部設(shè)計加裝水箱（根據(jù)需要，可隨時短時間注水或排水，調(diào)節(jié)船重和船體重心位置），維持船體平衡，并輔助增強破冰效果。當(dāng)冰層過厚無法直接撞破時，通過大流量水泵將船體內(nèi)前水箱的水短時間內(nèi)轉(zhuǎn)移到船體后內(nèi)部水箱，使船頭抬起并以冰刀為導(dǎo)軌駛上冰面，迅速將船體內(nèi)前水箱注滿水，通過船自身重量壓破冰層。為保障破冰船不會被浮冰困住，在破冰船前部甲板安裝一個可旋轉(zhuǎn)式機械手，通過機械手的冰鋸切割船前以及船兩側(cè)冰蓋配合破冰船完成輔助破冰任務(wù)。

2 破冰船主要零件設(shè)計

2.1 冰刀的設(shè)計

黃河破冰船整體采用寬淺式方式，設(shè)計船體長度為8500mm，寬度為3000mm，高度為2500mm，最大吃水深度1500mm，船艏鋼板加厚，安裝1000mm高的冰刀，并一直延伸到破冰船的底中部，不但可以在連續(xù)破冰時撞破冰層，還可以起到輔助滑行作用，有利于船頭駛上冰蓋，增大船體底部壓強，壓破冰層。建立冰刀三維模型如圖1所示。

2.2 船用機械手的設(shè)計

圖1 破冰船冰刀三維模型示意圖

船體冬季夜間泊行往往被浮冰凍住，船體無法依靠自身動力前進(jìn)或后退。設(shè)計了如圖2所示的機械手輔助破冰。機械手安裝在船身前部甲板之上，用于切割船身附近冰層用以輔助破冰船破冰。

機械手末端冰鋸需要完成前后、左右、上下移動等基本動作，設(shè)計的機械手以極坐標(biāo)方式保障3個方向的運動。機械手動力依靠破冰船配備的電動機帶動。機械手底部為旋轉(zhuǎn)圓臺，根據(jù)需要可以進(jìn)行180°的旋轉(zhuǎn)，圓臺連接的傳動臂可以進(jìn)行90°的彎曲，機械手臂能夠伸縮，保障了機械手的全方位無死角工作。

圖2 破冰船機械手三維模型示意圖

2.3 破冰船驅(qū)動動力的配置

破冰船整體質(zhì)量m在15t左右，采用船用柴油機驅(qū)動工作。破冰船在連續(xù)破冰時，假定其運動為一個恒阻力勻速（速度為V）運動。取破冰船破冰時的阻力系數(shù)μ=0.5，則船體阻力F=μmg=75000N（g為重力加速度）。柴油機功率可根據(jù)P=FV來進(jìn)行計算。設(shè)定破冰船連續(xù)破冰時的速度V為1m/s。則在連續(xù)破冰條件下破冰船所需要的柴油機功率為P=FV=75KW。

破冰船機械手等電動機依靠柴油機帶動發(fā)電機提供動力，假設(shè)柴油機運行時要分散30%-40%的動力來帶動船上的電動機，破冰船上減速器的傳遞效率為0.9，螺旋槳驅(qū)動船體前進(jìn)的傳遞效率為0.8，連續(xù)破冰時需要的柴油機功率為148-173KW。選用額定功率為179KW的NT855-M240型船用發(fā)動機。

3 破冰船主要零部件運動仿真分析

3.1 船用機械手作業(yè)空間仿真

在機械手臂的控制設(shè)計過程中，機械手臂的運動軌跡及作業(yè)空間是關(guān)鍵的參數(shù)[4]。機械手末端參考點所能到達(dá)的空間點的集合即為機械手的作業(yè)空間，它是衡量機械手工作能力的直接指標(biāo)。本文從鋸片末端的邊界曲線出發(fā)，通過motion分析跟蹤其工作路徑，進(jìn)而尋找機械手作業(yè)空間的包絡(luò)曲線。

Motion參數(shù)設(shè)置如下：旋轉(zhuǎn)臺設(shè)置為旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動，工作模式為震蕩，位移180°，頻率0.5Hz；機械臂底部設(shè)置為旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動，工作模式為距離驅(qū)動，工位移90°，持續(xù)時間10s。得到其90°作業(yè)空間包絡(luò)線俯視圖和正視圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 作業(yè)空間俯視圖

圖4 作業(yè)空間正視圖

通過對機械手的作業(yè)空間進(jìn)行研究，可以檢測機械手是否滿足要求，也可以對反向設(shè)計船艏形狀提供依據(jù)。

3.2 船用冰刀的分析

圖5 冰刀應(yīng)力圖

圖6 冰刀應(yīng)變圖

冰刀作為破冰船主要破冰零件，承擔(dān)破冰的沖撞任務(wù)。冰刀前部設(shè)置一個圓環(huán)，以備破冰船固定或者牽引。

船用冰刀的有限元分析在SolidWorks中采用simulation插件進(jìn)行。分析計算基本步驟為：建立約束——選擇刀具材料——施加載荷——劃分網(wǎng)格。運行后得到的冰刀應(yīng)力和應(yīng)變圖如圖5和圖6所示。

圖5中，冰刀所受的最大應(yīng)力為18.65MPa，而碳鋼板的屈服力為235MPa，遠(yuǎn)大于18.65MPa，圖6中，冰刀的最大應(yīng)變發(fā)生在圓孔處，應(yīng)變值為4.930×10-5m，基本可以忽略不計。

4 結(jié)語

通過SolidWorks軟件對破冰船輔助破冰部分進(jìn)行了三維建模，利用motion控件模擬了機械手的作業(yè)空間，利用simulation插件完成了船用冰刀的有限元分析，關(guān)鍵部位進(jìn)行校核，保證了破冰船設(shè)計過程中的時效性和安全性。

［1］張安魯，趙悅，劉云.黃河凌汛成因的初步分析及其防治措施的發(fā)展［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報.2009（5）:93.

［2］張南如.黃河破冰船設(shè)計經(jīng)過［J］.中國造船.1957（3）:59-70.

［3］朱文博.內(nèi)河淺水航區(qū)采用雪撬型首的破冰效果［J］.江蘇船舶.1981（2）:38-42.

［4］尹成龍，牛多青.基于SolidWorks的挖掘機虛擬樣機設(shè)計及工作裝置運動仿真［J］.機械制造，2009，47（536）:15-17.