整平平臺刮鏟裝置的設計與分析

孫鐵銳，李成龍

（廣州船舶及海洋工程設計研究院船舶與海洋工程部，廣東廣州510250）

水下基床整平是重力式碼頭工程、海上防波堤工程、航道整治工程等重要施工工序之一。近年來，港口和航道建設由近岸向遠海發(fā)展，水下人工整平的方法已難以適應深水或無遮掩水域［1-2］。因此，對水下基床整平平臺進行深入研究具有重要意義。自20世紀70年代中后期開始，我國在拋石基床整平技術(shù)及裝備方面取得了不少成果。1977年，中交第四航務工程局使用一艘甲板駁改裝而成的“粵工細平1號”，完成了菠蘿廟航修站、南海船廠和新港二期碼頭等工程項目的整平工作；1979年，中交第一航務工程局研制了框架式水下整平平臺，成功應用于青島港8號碼頭施工［3］；1998年，中交第一航務工程局為實施長江口一期工程，開發(fā)制造了“青平1號”專用拋石整平船；2002年，中交第二航務工程局聯(lián)合上海交通大學等科研設計單位，研制了“航工平1號”自升式拋石整平船，在長江口二期工程施工中投入使用［4］；2008年，中交第一航務工程局在“青平2號”的基礎上研發(fā)了新一代的深水基床拋石整平船，2009年完成改裝后在港前灣四期工程等項目中取得良好的整平效果［5］；2012年，為滿足港珠澳大橋沉管隧道碎石墊層鋪設整平的要求，振華重工研制了“津平1號”拋石整平船，這是我國第一艘自主研發(fā)的自升式高精度深水拋石整平平臺［6-7］；為服務深中通道項目，由廣州打撈局牽頭研發(fā)的世界上作業(yè)水深最大的3D碎石整平清淤船于2019年6月開建，由中交一航局投資的世界最大、最先進的自升式碎石鋪設整平船“一航津平2”已于2019年11月順利交船［8］。

本文依托自浮式水下基床整平平臺項目，其主尺度與作業(yè)能力如表1所示。該平臺為框架式鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，設兩層水平管式鋼梁和頂部平臺，通過管式立柱及斜撐連接形成穩(wěn)定框架結(jié)構(gòu)。預壓載方式為四角均衡壓載，框架結(jié)構(gòu)的4角設置4只浮箱和4個液壓支撐柱，實現(xiàn)平臺自浮、下沉及支撐穩(wěn)定的功能，如圖1所示。該平臺上還設有另一重要的組成部分——刮鏟裝置，本文主要對刮鏟裝置的具體方案進行設計研究，為類似工程提供借鑒和參考。

表1 主尺度與作業(yè)能力Tab.1 Principal dimensions and work capacity

圖1 整平平臺立面布置Fig.1 Plane and vertical arrangement of leveling platform

1 方案設計

整平平臺的刮鏟裝置主要由刮鏟結(jié)構(gòu)、牽引機構(gòu)和行走機構(gòu)3部分構(gòu)成，各組成部分的具體設計方案如下：

1.1 刮鏟結(jié)構(gòu)

刮鏟結(jié)構(gòu)是通過整平平臺牽引機構(gòu)的作用在基床面上進行移動，帶動高于基床面的石料移動，將石料填充到低于基床面的凹點，是實現(xiàn)基床整平最直接作用的結(jié)構(gòu)。由于水下整平過程中刮鏟結(jié)構(gòu)受到水阻力大，容易發(fā)生變形，造成水下基床面不平整，進而影響工作效率和作業(yè)質(zhì)量，因此，刮鏟結(jié)構(gòu)直接影響整平精度。常用的整平刮鏟結(jié)構(gòu)有鏟斗式結(jié)構(gòu)、溜管式結(jié)構(gòu)和平板式結(jié)構(gòu)。

1.1.1 鏟斗式結(jié)構(gòu)

鏟斗式結(jié)構(gòu)類似于挖掘機的重要工作部件鏟斗，通過推鏟實現(xiàn)平整作業(yè)，如圖2所示［9］。其由呈彎曲面的鏟斗主板、背板和位于鏟斗兩側(cè)的擋板組成。背板用于增強鏟斗主板的強度，同時為了減小工作過程中水的阻力作用，鏟斗主板上設置多排流水孔。底部設置的刮板可適應不同傾斜角度的基床面且保持無縫貼合，刮板為可拆卸式結(jié)構(gòu)，避免更換整個鏟斗。

圖2 鏟斗式結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic of bucket structure

1.1.2 溜管式結(jié)構(gòu)

溜管式結(jié)構(gòu)具有石料輸送和石料刮平的作用，適用于從工作母船或岸上連續(xù)輸送石料到溜管，再經(jīng)溜管下料到基床的整平平臺，如圖3所示［7］。該溜管可采用萬向可伸縮物料輸送管，以便適應在風、浪、流、潮等多種因素作用下工作母船同整平平臺之間的相對運動狀態(tài)，完成石料的準確輸送，同時屏蔽掉工作母船的運動給整平平臺造成的影響，并最大限度地減小水流力通過石料溜管對整平平臺產(chǎn)生的作用。

圖3 溜管式結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic of mooch pipe structure

1.1.3 平板式結(jié)構(gòu)

平板式結(jié)構(gòu)通過一定厚度的刮刀進行刮鏟，主要由刮刀、刮刀肘板、刮刀梁管件及其扶強材，刮刀與梁管件間留有水流通過的間隙，以減小水流阻力，如圖4所示。為防止刮刀梁管件在重力作用下產(chǎn)生較大撓度影響到整平效果，將刮刀梁管件進行封閉處理，保證刮刀梁管件的浮力達到或接近其所受到重力，進而確保整平精度。

圖4 平板式結(jié)構(gòu)Fig.4 Schematic of flat scraper structure

上述3種刮鏟結(jié)構(gòu)各具特色，如鏟斗式結(jié)構(gòu)采用可拆卸式刮板能適應不同傾斜角度的基床面，溜管式結(jié)構(gòu)兼具石料輸送和石料刮平功能，平板式結(jié)構(gòu)利用浮力作用提高整平精度?？紤]到依托項目所處海域風、浪、流較小，屬半日潮，基床設計頂面高程在6 m以內(nèi)，且基床石料由其他專門方式直接輸送在基床，整平機可不設專門的送料系統(tǒng)。因此，溜管式結(jié)構(gòu)在本項目中暫不采用。鏟斗式結(jié)構(gòu)相對于平板式結(jié)構(gòu)復雜，其制造難度比平板式結(jié)構(gòu)大，且成本更高，在均滿足水下整平精度±25 mm的情況下，本刮鏟裝置中的刮鏟結(jié)構(gòu)采用圖4所示的平板式結(jié)構(gòu)。

1.2 牽引機構(gòu)

牽引機構(gòu)是驅(qū)動刮鏟結(jié)構(gòu)沿特定方向移動以實現(xiàn)整平作業(yè)的動力機構(gòu)。常見的整平平臺牽引機構(gòu)為絞車牽引機構(gòu)和液壓馬達驅(qū)動機構(gòu)。

1.2.1 絞車牽引機構(gòu)

絞車牽引機構(gòu)由2臺電動雙卷筒雙聯(lián)絞車牽引，1臺絞車牽引刮鏟結(jié)構(gòu)向前運動，完成整平工作，另1臺絞車牽引刮鏟結(jié)構(gòu)復位，圖5為刮鏟結(jié)構(gòu)右側(cè)的絞車牽引機構(gòu)示意圖。絞車由鋼絲繩通過滑輪組、導向滑輪和張力器等部分組成。水下部位的滑輪應具有防污結(jié)構(gòu)，防止有異物進入軸承影響使用效果。每根牽引鋼絲繩末端（固定端）設置鋼絲繩張力器，監(jiān)測刮鏟結(jié)構(gòu)作業(yè)時的受力狀態(tài)。在刮鏟結(jié)構(gòu)與下層端部框架梁之間設置限位感應器，防止絞車過度牽引而引發(fā)事故。

圖5 絞車牽引機構(gòu)Fig.5 Schematic of winch traction mechanism

1.2.2 液壓馬達驅(qū)動機構(gòu)

液壓馬達驅(qū)動機構(gòu)由液壓馬達、減速器、鏈輪、導鏈輪和環(huán)形鏈構(gòu)成，環(huán)形鏈的兩端均固定在整平平臺的框架上。本平臺設置2套液壓馬達驅(qū)動機構(gòu)，分別在刮鏟結(jié)構(gòu)的兩端設置，一端的液壓馬達驅(qū)動機構(gòu)如圖6所示。當液壓馬達順時針旋轉(zhuǎn)時，刮鏟結(jié)構(gòu)朝右側(cè)移動完成整平工作；當液壓馬達逆時針旋轉(zhuǎn)時，刮鏟結(jié)構(gòu)朝左側(cè)移動完成復位。

圖6 液壓馬達驅(qū)動機構(gòu)Fig.6 Schematic of hydraulic drive mechanism

上述兩種牽引機構(gòu)均可實現(xiàn)刮鏟結(jié)構(gòu)的運動，但液壓馬達驅(qū)動機構(gòu)需要在鏈輪和導向輪處設置專門的保護罩，以免碎石嵌入環(huán)形鏈中卡住鏈輪影響刮鏟結(jié)構(gòu)運動。另外絞車牽引機構(gòu)的兩臺絞車均為雙出繩絞車，每臺絞車分別控制刮鏟結(jié)構(gòu)的前進和復位，而兩套液壓馬達驅(qū)動機構(gòu)需要同步控制刮鏟結(jié)構(gòu)的運動，存在同步控制困難且影響整平精度，因此，刮鏟結(jié)構(gòu)的驅(qū)動采用圖5所示的絞車牽引機構(gòu)。

1.3 行走機構(gòu)

行走機構(gòu)是實現(xiàn)刮鏟結(jié)構(gòu)沿特定方向移動并保持整平精度的重要機構(gòu)，其承受著整套刮鏟裝置的重力及刮鏟結(jié)構(gòu)傳遞過來的石料阻力，并具有行走和導向限位雙重作用。根據(jù)運動方式可為滑動式和滾動式，根據(jù)接觸方式分可分為點接觸、線接觸和面接觸。本項目考慮滑動式行走機構(gòu)和車輪踏面為點接觸的滾動式行走機構(gòu)。

1.3.1 滑動式行走機構(gòu)

滑動式行走機構(gòu)由軌道、滑動塊和導向限位塊組成，如圖7所示，刮鏟結(jié)構(gòu)通過滑動塊、限位塊在軌道上實現(xiàn)移動和限位，軌道材料可以是不銹鋼材料，滑動塊和導向限位塊可以是MC鑄型尼龍。

圖7 滑動式行走機構(gòu)Fig.7 Schematic of sliding walking mechanism

1.3.2 滾動式行走機構(gòu)

滾動式行走機構(gòu)由軌道、行走輪和導向限位塊組成，如圖8所示。刮鏟結(jié)構(gòu)通過行走輪、導向限位塊在軌道上實現(xiàn)移動和限位，軌道材料可以是Q345，行走輪和導向限位塊可以是C45，行走輪踏面形狀為球面，其與軌道的接觸形式為點接觸式。

圖8 滾動式行走機構(gòu)Fig.8 Schematic of point contact rolling walking mechanism

上述兩種行走機構(gòu)均可實現(xiàn)刮鏟結(jié)構(gòu)的行走，其中，滑動式行走機構(gòu)運行穩(wěn)定，并具有水潤滑的功能，但其載荷有限，使用壽命不長，且容易在滑塊與軌道的間隙中卡住碎石，造成運動不暢甚至無法運行的情況。滾動式行走機構(gòu)承載能力強，點接觸式的行走輪踏面減小了石料卡住的風險，且運行阻力小，運動平穩(wěn)。為了減少行走輪和導向輪的維護，輪子的襯套采用工程塑料合金以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動副的自潤滑作用。因此，本刮鏟裝置的行走機構(gòu)采用車輪踏面為點接觸的滾動式行走機構(gòu)。

2 設計方案

上文對刮鏟裝置主要組成部分進行了方案對比論證，根據(jù)對比結(jié)果，本刮鏟裝置由平板式刮鏟結(jié)構(gòu)、絞車牽引機構(gòu)和點接觸的滾動式行走機構(gòu)組成，如圖9所示。為保證整平平臺的精度在±25 mm，本整平平臺4角設置4只浮箱進行均衡壓載，以保證整平時的穩(wěn)定作業(yè)和整平精度。同時，平板式刮鏟結(jié)構(gòu)的刮刀梁管件通過浮力作用可防止刮刀梁管件產(chǎn)生較大撓度而影響整平精度。另外，通過槽型軌道將行走輪的垂向間隙設計為10 mm，并通過導向輪導向以控制整平精度。

圖9 刮鏟裝置示意圖Fig.9 Schematic of scraper device

3 強度校核

刮鏟裝置刮鏟結(jié)構(gòu)中的刮刀材料為Hardox悍達400耐磨鋼板，屈服強度為1 000 MPa，其余材料為Q345鋼材，屈服強度為345 MPa。根據(jù)刮鏟結(jié)構(gòu)的作業(yè)環(huán)境和作業(yè)特點，主要由刮刀承受工作載荷，刮刀長10 m，高0.3 m，水平工作載荷為200 k N，換算成面壓力為0.066 7 MPa，刮鏟結(jié)構(gòu)受到的靜水壓力按最大作業(yè)水深8.5 m施加。采用MSC.Patran進行強度計算，結(jié)果如圖10所示，根據(jù)CCS《海上移動平臺入級規(guī)范（2016）》靜載工況下的安全系數(shù)取1.43［10］，則刮刀的許用應力為699 MPa，其余材料的許用應力為241 MPa，刮鏟結(jié)構(gòu)受到的最大應力為44.4 MPa，小于材料的許用應力。

圖10 刮鏟結(jié)構(gòu)應力云圖Fig.10 Stressnephogram of scraper structure

本刮鏟裝置的行走機構(gòu)采用材料為C45的行走輪，其彈性模量E為2.09×1011Pa，踏面的硬度（經(jīng)淬火等處理后）為300～380 HB，其屈服強度為σs為345 MPa，所設計行走輪的半徑R為0.45 m。已知每個行走輪到刮鏟結(jié)構(gòu)的距離a為1 m，刮鏟結(jié)構(gòu)的長度b為10 m，刮鏟結(jié)構(gòu)的高度h為1.3 m，刮鏟結(jié)構(gòu)和行走機構(gòu)的質(zhì)量約10 t，重力和浮力的合力G'約為30 k N，刮鏟結(jié)構(gòu)受到絞車提供的額定牽引力Fq為200 k N，石料對刮鏟結(jié)構(gòu)中的刮刀作用力F為200 k N，如圖11所示。石料作用力F對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生逆時針的傾覆力矩M1，在M1作用下，圖11中后方2個行走輪剛脫離接觸時，前方2個行走輪受到的擠壓力P最大，P一方面用于平衡G'，另一方面用于提供旋轉(zhuǎn)力矩M2以平衡M1。因行走輪與軌道為點接觸，滾動摩擦力相對較小，可忽略不計。

圖11 行走輪位置及受力Fig.11 Position and force of walking wheel

由受力平衡得單個行走輪受到的擠壓力P為

3.1 理論校核

根據(jù)赫茲理論，行走輪的理論載荷是通過點傳遞的，實際上零件受載后接觸部分產(chǎn)生局部彈性變形，從而形成接觸面很小的面接觸，這樣在行走輪的接觸處產(chǎn)生很大的接觸應力，離開接觸面稍遠處接觸應力急劇下降。對于該行走輪的強度校核按接觸表面處的接觸應力進行校核，其強度條件為

式中：σHP為許用接觸應力。

點接觸類型的最大接觸應力σmax計算如下

式中：P為行走輪受到的擠壓力；E為彈性模量；R為行走輪的半徑。則

本行走機構(gòu)的行走輪參照《機械設計手冊（第五版）》中起重機的車輪進行設計，根據(jù)手冊用插值法查得C45的許用線接觸應力σHLP為1 200 MPa，則其許用點接觸應力σHPP為［11］

當系數(shù)取1.3時，行走輪與軌道點接觸的許用點接觸應力σHPP為1 560 MPa，故本行走輪的最大接觸應力小于其許用點接觸應力，行走輪強度滿足要求。

3.2 數(shù)值計算

采用ANSYS軟件建立行走輪與軌道的幾何模型，如圖12所示。行走輪受到重力1.65 kN，由輪軸傳遞到行走輪上的作用力為143.35 k N，軌道設置為固定約束，行走輪與軌道的接觸計算采用純粹罰函數(shù)法（Pure Penalty，PP），計算結(jié)果如圖13所示。行走輪所受到的最大應力在接觸位置上，為1 035.7 MPa，點接觸周邊應力值急劇下降，行走輪最大應力小于其許用接觸應力，故行走輪強度滿足要求。

圖12 施加載荷示意圖Fig.12 Schematic of load model

圖13 行走輪應力分布示意圖Fig.13 Stress distribution of walking wheel

4 結(jié)語

本文依托一種自浮式水下基床整平平臺，確定了由平板式刮鏟結(jié)構(gòu)、絞車牽引機構(gòu)和點接觸的滾動式行走機構(gòu)組成的刮鏟裝置。采用MSC.Patran計算得知刮鏟結(jié)構(gòu)受到的最大應力為44.4 MPa，小于其許用應力699.0 MPa。對行走輪部件分別進行了理論強度校核和ANSYS數(shù)值計算，理論計算得到行走輪受到的最大接觸應力為1 222.5 MPa，數(shù)值計算得到行走輪所受的最大應力位1 035.7 MPa，結(jié)果均小于行走輪的許用點接觸應力1 560 MPa。本文提供了刮鏟裝置的多種設計方案，對整平平臺的設計研究具有一定的借鑒意義。