絞吸挖泥船絞刀長(zhǎng)軸系軸承支反力計(jì)算方法研究

林 挺

（上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200030）

0 前言

在近十幾年中，通過(guò)學(xué)習(xí)分析國(guó)外先進(jìn)疏浚船舶的相關(guān)動(dòng)態(tài)與資料，結(jié)合研究成果及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)高校及科研機(jī)構(gòu)、船廠合作研發(fā)了一系列大型絞吸挖泥船，使我國(guó)在絞吸挖泥船及配套設(shè)備的研發(fā)上取得明顯進(jìn)步，正逐步打破外國(guó)的技術(shù)壟斷。配套疏浚裝備研制，是絞吸挖泥船制造的核心技術(shù)，而絞刀軸系作為絞吸挖泥船挖掘系統(tǒng)的核心裝備之一，其技術(shù)的重要性不言而喻[1]，必然成為行業(yè)技術(shù)研究的主要對(duì)象。在實(shí)際應(yīng)用中，由于惡劣的施工環(huán)境及復(fù)雜的工況，為絞刀提供直接動(dòng)力的絞刀軸系承受著巨大的工作載荷，其運(yùn)行狀態(tài)決定絞刀的工作效率，最終影響工程成本，因此，對(duì)絞刀軸系的研究成為絞吸挖泥船制造、使用、管理的主要課題之一。

本文主要對(duì)絞吸挖泥船絞刀架及安裝在絞刀架上的絞刀長(zhǎng)軸系進(jìn)行系統(tǒng)性分析，研究如何計(jì)算絞刀長(zhǎng)軸系軸承的受力，為絞刀長(zhǎng)軸系的校中計(jì)算、安裝調(diào)試提供依據(jù)。

1 絞刀架和絞刀軸系

絞刀架位于絞吸挖泥船船體凹槽內(nèi)，一端鉸接在主船體上，另一端通過(guò)起橋滑輪和起橋鋼絲繩懸掛在龍門(mén)架上。由于有橫向力的作用，所以絞吸挖泥船的絞刀架必須具有一定的剛度，大型絞吸挖泥船往往使用雙箱梁結(jié)構(gòu)，并通過(guò)縱向與橫向的連接予以加固。絞刀軸系安裝于絞刀架上，是絞吸挖泥船的重要組成部分，其主要功能是將動(dòng)力源輸出的動(dòng)力穩(wěn)定、高效地傳遞到頭部機(jī)械式絞刀，達(dá)到驅(qū)動(dòng)絞刀對(duì)土層進(jìn)行切削作業(yè)的目的。絞刀軸系按軸系長(zhǎng)度不同，可分為短軸式絞刀軸系及多支承長(zhǎng)軸式絞刀軸系（簡(jiǎn)稱(chēng)絞刀長(zhǎng)軸系）。

絞刀長(zhǎng)軸系通過(guò)多個(gè)中間軸承支撐于絞刀架頂部，從齒輪箱輸出端到絞刀之間的傳動(dòng)軸由多段軸連接而成；傳動(dòng)軸穿過(guò)絞刀架首部結(jié)構(gòu)的絞刀軸承與絞刀相連（如圖1所示）。該類(lèi)型絞刀軸系，通常尾部以電機(jī)作為動(dòng)力源，通過(guò)齒輪箱、多段支撐于滑動(dòng)軸承箱的傳動(dòng)軸，傳遞扭矩驅(qū)動(dòng)絞刀進(jìn)行作業(yè)。

圖1 絞刀長(zhǎng)軸系布置圖

2 絞刀軸系有限元法校中計(jì)算

根據(jù)《船舶軸系校中原理及其應(yīng)用》一書(shū)中描述的理論，在應(yīng)用有限元法中的位移法對(duì)軸系進(jìn)行校中計(jì)算時(shí)，先將呈平面彎曲的軸系劃分成為若干個(gè)有限的梁段每一段梁段都是等截面的，稱(chēng)之為一個(gè)單元。單元與單元的連接點(diǎn)，稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)。然后求出每一個(gè)單元的剛度矩陣，把全部單元的剛度矩陣分割并按一定規(guī)律組合，則可以得到結(jié)構(gòu)軸系的剛度矩陣，結(jié)合軸系結(jié)構(gòu)受力和約束條件等邊界條件，可以求出作用在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的集中力，彎矩及轉(zhuǎn)角。因此，應(yīng)用位移法應(yīng)該先求解出各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的位移，再按照位移求出指定截面上的剪力，彎矩及軸承載荷。為此，應(yīng)該按照軸系校中的約束條件對(duì)結(jié)構(gòu)剛度矩陣進(jìn)行處理，才可以進(jìn)行求解。約束條件是指對(duì)結(jié)構(gòu)（軸系）的某些節(jié)點(diǎn)的位移進(jìn)行必要的限制[2]。

結(jié)合上述軸系有限元法校中原理，絞刀軸系通常以合理校中作為校中原理，采用有限元法進(jìn)行校中計(jì)算。當(dāng)軸系進(jìn)行合理校中時(shí)，軸系各軸承沿垂直于軸線向方向產(chǎn)生位移，這時(shí)則按照各軸承的合理位移值為約束條件對(duì)結(jié)構(gòu)剛度矩陣進(jìn)行處理，從而求出軸系合理校中時(shí)的制定軸截面的撓度、轉(zhuǎn)角、剪力、彎矩及軸承負(fù)荷[3]。為此，分析及計(jì)算各軸承處的支反力是校中計(jì)算的必要條件。

由于軸系結(jié)構(gòu)的剛度矩陣的生成是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，需要大量的數(shù)學(xué)計(jì)算。所以，在按有限元法進(jìn)行軸系校中計(jì)算時(shí)，利用MSC.PATRAN軟件中自動(dòng)生成剛度矩陣的功能，快速，準(zhǔn)確，方便的將軸系結(jié)構(gòu)的剛度矩陣生成并解出結(jié)果[4]。

3 絞刀架受力分析與計(jì)算

絞吸挖泥船的施工過(guò)程中，絞刀架繞根部的鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使絞刀在最小挖深至最大挖深之間工作。因此，研究人員需選取絞刀架水平懸吊狀態(tài)、最小挖深的工作狀態(tài)、最大挖深的工作狀態(tài)、最小挖深的放置狀態(tài)、最大挖深的放置狀態(tài)等五種工況來(lái)進(jìn)行分析。其中，工作狀態(tài)下的絞刀架受到了絞刀切削反力、橫移鋼絲繩牽引力、絞刀架和設(shè)備自身重量等三部分工作載荷；而懸吊和放置狀態(tài)下則只把絞刀架和設(shè)備自身重量作為計(jì)算參數(shù)（絞刀架受力如圖2所示）。

圖2 絞刀架受力示意圖

由上文描述，可以知道要計(jì)算安裝在絞刀架上的絞刀長(zhǎng)軸系的各個(gè)軸承支反力，除了需要確定絞刀的工作載荷之外，還必須計(jì)算出絞刀長(zhǎng)軸系各軸承位移的具體數(shù)值。因此，研究人員首先需要對(duì)絞刀架各種狀態(tài)下的受力情況進(jìn)行分析計(jì)算，并通過(guò)建立絞刀架有限元模型，將各工況絞刀架工作載荷加載到絞刀架有限元模型中，進(jìn)而算出絞刀長(zhǎng)軸系各軸承位移量。

絞刀架結(jié)構(gòu)的有限元數(shù)值模型選用板單元和梁?jiǎn)卧獌煞N單位進(jìn)行組合，采用組合模型的方式建模。其中，絞刀架結(jié)構(gòu)板材、強(qiáng)橫梁以及縱桁板材的腹板均采用兩種板單元來(lái)模擬（三節(jié)點(diǎn)和四節(jié)點(diǎn)）；縱桁板材和肘板的面板、絞刀軸系則采用梁?jiǎn)卧▋晒?jié)點(diǎn)）來(lái)模擬。關(guān)于絞刀架各種載荷的施加，則通過(guò)多點(diǎn)約束MPC（Multi-point constraints）作用到絞刀架相應(yīng)的結(jié)構(gòu)上。例如，絞刀架疏浚設(shè)備的慣性力通過(guò)將集中質(zhì)量單元設(shè)置在質(zhì)心，并將該集中質(zhì)量單元通過(guò)MPC傳到安裝底座上；絞刀架兩側(cè)橫移滑輪和首部絞刀的作用力，則同樣通過(guò)MPC將這兩作用力分別設(shè)置在兩獨(dú)立節(jié)點(diǎn)上（絞刀架整體結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖3）。由于篇幅有限，因此本文以某型絞吸挖泥船絞刀架最小挖深工作狀態(tài)為例，將絞刀架在各個(gè)工況下工作載荷轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)力加載在對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，對(duì)絞刀架整體結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行了強(qiáng)度分析（描述應(yīng)力和位移計(jì)算情況如圖 4、5、6）。

圖3 絞刀架整體有限元模型

圖4 絞刀架整體應(yīng)力圖

圖5 絞刀架整體（除絞刀軸外）位移圖

圖6 絞刀軸位移圖

由此可得到該型絞吸挖泥船絞刀架最小挖深工作狀態(tài)時(shí)，絞刀軸各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移量（如表1），為下一步計(jì)算絞刀長(zhǎng)軸系各軸承處的支反力做準(zhǔn)備。

表1 工況2的絞刀長(zhǎng)軸系各軸承在各方向分量上的位移

4 絞刀長(zhǎng)軸系各軸承受力分析與計(jì)算

為了計(jì)算絞刀長(zhǎng)軸系各軸承處的支反力，先將絞刀長(zhǎng)軸系有限元模型從絞刀架整體模型中獨(dú)立出來(lái)，然后分各種工況（如表2），將上一步通過(guò)絞刀架受力分析計(jì)算出的各軸承處位移量和絞刀工作載荷分別加載到絞刀長(zhǎng)軸系有限元模型中，絞刀質(zhì)量以集中質(zhì)量的形式建立在有限元模型中，則可計(jì)算出此時(shí)各軸承的支反力。

表2 絞刀長(zhǎng)軸系模型邊界條件及載荷

其中，絞刀處的反力F可以從絞刀架有限元分析的模型中獲得。圖7、圖8表示了絞刀軸所受到的強(qiáng)迫位移及載荷：

圖7 絞刀軸所受約束及載荷示意圖（工作狀態(tài)）

圖8 絞刀軸所受約束及載荷示意圖（放置狀態(tài)）

該型絞吸挖泥船絞刀架最小挖深工作狀態(tài)時(shí)，計(jì)算得各軸承的反力如表3所示。

表3 絞刀長(zhǎng)軸系各軸承在各工況下相對(duì)于6米水深工作狀態(tài)的支反力（N）

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)絞吸挖泥船絞刀架及絞刀軸系在工作狀態(tài)下的受力情況進(jìn)行分析計(jì)算，并建立一套可較為準(zhǔn)確地模擬絞刀架系統(tǒng)實(shí)際工況的有限元模型；其次，將絞刀架各種狀態(tài)下的工作載荷加載至絞刀架有限元模型，計(jì)算出絞刀長(zhǎng)軸系各軸承在各工況下的位移量；最后，將各軸承處強(qiáng)迫位移和絞刀工作載荷分別加載到絞刀長(zhǎng)軸系有限元模型中，形成了絞刀長(zhǎng)軸系校中各軸承處受力的分析與計(jì)算方法。

絞刀長(zhǎng)軸系中各個(gè)軸承的受力的計(jì)算是一個(gè)較為復(fù)雜的課題，因?yàn)樗粌H涉及到整艘絞吸挖泥船的作業(yè)方式，而且需要考慮絞刀架結(jié)構(gòu)的工作變形、絞刀工作載荷、橫移系統(tǒng)的受力分析以及不可確定的環(huán)境因素等多方面問(wèn)題。因此本文提出的數(shù)值模擬方法出于研究探索的目的，剔除一些復(fù)雜多變的因素，將計(jì)算方法做了簡(jiǎn)化，其計(jì)算結(jié)果難免會(huì)有所偏差。因此，關(guān)于絞刀軸系仍有許多課題需要去研究。