海上平臺用錨機(jī)止鏈器運(yùn)動(dòng)和受力分析＊

王 芳，趙 健，韓李萍

（蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730314）

止鏈器是海上浮式平臺錨泊的關(guān)鍵設(shè)備，每根錨鏈應(yīng)配備止鏈器用于止住或夾住錨鏈，承受錨鏈拉力，將系泊荷載傳遞至船體結(jié)構(gòu)上，使錨機(jī)處于不受力狀態(tài)[1-4]。某海上半潛式平臺共4臺錨機(jī)，分別位于主甲板的4個(gè)角落。每臺錨機(jī)配備2臺具有應(yīng)急釋放能力的可折疊式止鏈器，安裝于平臺的樁腿上，用于錨鏈的制動(dòng)。錨機(jī)采用液壓控制系統(tǒng)，既能滿足止鏈器正常工況下的開合，也能滿足緊急工況時(shí)的應(yīng)急釋放。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，應(yīng)急釋放時(shí)部分關(guān)鍵零部件易發(fā)生變形、損壞的現(xiàn)象。該類止鏈器為進(jìn)口產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，相關(guān)研究資料非常少。在維修和產(chǎn)品優(yōu)化升級時(shí)，無理論方法支持。為了確保產(chǎn)品安全可靠，在充分理解止鏈器的連接傳動(dòng)及工作工況的基礎(chǔ)上，對該型式止鏈器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并對改進(jìn)后的止鏈器總結(jié)了一套新的分析方法。

1 止鏈器的結(jié)構(gòu)型式

原止鏈器主要由底座、機(jī)架、制動(dòng)臂、棘爪、擺動(dòng)液缸、伸縮液缸、伸縮液缸活塞桿鎖緊裝置、張力檢測裝置、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等組成。

底座通過底平面及地腳螺栓安裝到樁腿基座上，在底座下方設(shè)計(jì)有止推塊；機(jī)架上方設(shè)置有方形導(dǎo)鏈孔，底部設(shè)有導(dǎo)鏈槽供錨鏈通過；擺動(dòng)液缸通過曲柄驅(qū)動(dòng)樞軸，使制動(dòng)臂與樞軸共同轉(zhuǎn)動(dòng)；伸縮液缸安裝在制動(dòng)臂背部，由伸縮液缸、連接板、鉸鏈和左右關(guān)節(jié)組成；伸縮液缸為彈簧液缸，常態(tài)下兩關(guān)節(jié)的鉸接點(diǎn)過死點(diǎn)，活塞桿鎖緊裝置將伸縮液缸活塞桿進(jìn)行鎖緊，并與彈簧共同作用保證活塞桿伸出；棘爪通過伸縮液缸裝置與制動(dòng)臂連接，棘爪頭部按照錨鏈豎鏈的外形進(jìn)行加工[5]，使棘爪能夠與錨鏈良好嚙合。

在制動(dòng)狀態(tài)下，伸縮液缸活塞桿處于伸出狀態(tài)，兩關(guān)節(jié)的鉸點(diǎn)過死點(diǎn)。此時(shí)，伸縮液缸活塞桿若要縮回，需克服非常大的阻力來沖破死點(diǎn)。因此，伸縮液缸活塞桿鎖緊裝置就屬于非必要的冗余結(jié)構(gòu)。經(jīng)過計(jì)算后，優(yōu)化了這部分結(jié)構(gòu)。

對優(yōu)化后的止鏈器建立了三維模型，如圖1所示，在三維環(huán)境中模擬零件裝配關(guān)系，并進(jìn)行干涉檢查。

圖1 止鏈器關(guān)鍵零部件及連接傳動(dòng)

2 止鏈器的運(yùn)動(dòng)分析

將三維模型導(dǎo)入仿真軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。模擬液缸及錨鏈在給定速度時(shí)的運(yùn)動(dòng)及干涉情況。

2.1 止鏈器正常開合

底座和機(jī)架作為基體；機(jī)架與曲柄之間設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)副；曲柄、制動(dòng)臂、伸縮液缸和棘爪設(shè)為一體，在擺動(dòng)液缸的驅(qū)動(dòng)下整體擺動(dòng)，并設(shè)置錨鏈的速度為V1。

止鏈器需要正常打開時(shí)，啟動(dòng)錨機(jī)使錨鏈上提，同時(shí)擺動(dòng)液缸活塞桿以速度V2伸出驅(qū)動(dòng)曲柄，對應(yīng)制動(dòng)臂和棘爪以轉(zhuǎn)速ω1整體反轉(zhuǎn)打開，實(shí)現(xiàn)止鏈器正常打開，如圖2（a）所示。完成正常打開后，擺動(dòng)液缸活塞桿繼續(xù)伸出，為錨鏈讓出運(yùn)動(dòng)空間。

止鏈器需要正常合上時(shí)，錨機(jī)上提錨鏈，使被制動(dòng)的鏈節(jié)位于制動(dòng)位置上方，同時(shí)保證下方的鏈節(jié)不與棘爪干涉。擺動(dòng)液缸活塞桿以速度V3縮回，制動(dòng)臂和棘爪整體正轉(zhuǎn)到位后，錨機(jī)下放錨鏈，使棘爪與鏈節(jié)嚙合，實(shí)現(xiàn)止鏈器制動(dòng)后錨機(jī)剎車。

2.2 止鏈器應(yīng)急釋放

在遇到緊急工況時(shí)，錨機(jī)來不及上提錨鏈，就需要止鏈器緊急打開。此時(shí)，伸縮液缸活塞桿縮回，使兩關(guān)節(jié)的鉸點(diǎn)沖破死點(diǎn)，擺動(dòng)液缸活塞桿配合伸出。

在制動(dòng)狀態(tài)下，伸縮液缸保持伸出不動(dòng)，使得兩關(guān)節(jié)間的銷軸在死點(diǎn)外D1的距離。在應(yīng)急釋放時(shí)，伸縮液缸帶動(dòng)該銷軸縮回至死點(diǎn)內(nèi)D1的距離。這個(gè)過程中，其他零件位置保持不變，這就要求連接兩關(guān)節(jié)的三個(gè)銷軸設(shè)計(jì)合適的尺寸鏈，而該小間隙的變化在仿真軟件中無法仿真。

為了仿真得以進(jìn)行且不改變主要仿真運(yùn)動(dòng)結(jié)果，此仿真模擬直接將左右關(guān)節(jié)間的銷軸設(shè)定在至死點(diǎn)內(nèi)D1的距離；不導(dǎo)入底座和機(jī)架，鉸鏈作為基體；制動(dòng)臂與鉸鏈之間、棘爪與鉸鏈之間設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)副；棘爪與左關(guān)節(jié)之間、制動(dòng)臂與右關(guān)節(jié)之間設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)副；左右關(guān)節(jié)之間設(shè)置鉸接；設(shè)定棘爪和制動(dòng)臂各自的轉(zhuǎn)速ω1、ω2（通過仿真結(jié)果即可得出兩液缸活塞桿的伸縮速度V3、V4）。在仿真運(yùn)動(dòng)過程中，注意觀察關(guān)節(jié)與棘爪、棘爪與錨鏈?zhǔn)欠翊嬖诟缮妫⒏鶕?jù)干涉情況調(diào)整ω1和ω2。棘爪與錨鏈脫離后，如圖2（b）所示，伸縮液缸停止動(dòng)作，擺動(dòng)液缸活塞桿繼續(xù)伸出，讓出錨鏈下放和起錨的空間。

圖2 運(yùn)動(dòng)仿真模型

按實(shí)際工作工況，模擬了兩種運(yùn)動(dòng)仿真，對兩液缸的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，直至各零件之間、棘爪與錨鏈之間均不存在干涉為止，充分證明該止鏈器能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)急釋放功能。

3 止鏈器靜力學(xué)分析

完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維模型后，通過Ansys Workbench軟件對止鏈器關(guān)鍵零部件進(jìn)行仿真分析計(jì)算。按照實(shí)際連接傳動(dòng)和受載，處理模型、設(shè)定邊界條件并加載最大拉力載荷。

3.1 載荷的分析

鏈條通過導(dǎo)鏈槽和棘爪固定到機(jī)架上，將拉力傳遞給二者。根據(jù)圖解，已知棘爪的支撐力沿樞軸的圓心和上鏈節(jié)下部內(nèi)圓型心的連線方向，且下鏈節(jié)截面圓圓心也位于這條連線上。棘爪受力與水平方向的夾角為α，上鏈節(jié)處于傾斜狀態(tài)。

以上鏈節(jié)為研究對象，力的作用點(diǎn)簡化至上鏈節(jié)下部內(nèi)圓型中心上。只受到棘爪的支撐力F3和下鏈節(jié)的斜拉力F2。根據(jù)二力平衡條件，二力應(yīng)該大小相等，方向相反，且作用在同一條直線上[6]，受力分析如圖3（a）所示。

圖3 止鏈器受力分析

以下鏈節(jié)為研究對象，力的作用點(diǎn)簡化至下鏈節(jié)截面圓圓心上。受到其下端錨鏈豎直向下的拉力載荷F1，導(dǎo)鏈槽對其水平向右的支撐力F5，上鏈節(jié)對其斜向上的支撐力F4，受力分析如圖3（b）所示。通過以上分析得出，上鏈節(jié)雖處于傾斜狀態(tài)，但并未與導(dǎo)鏈槽接觸，有效地阻止了錨鏈將拉力載荷傳遞至該薄弱區(qū)域。

鏈條給止鏈器的最大設(shè)計(jì)拉力F1，棘爪受力與水平方向的夾角α；

棘爪承受的載荷F6與棘爪對鏈條的支撐力F3大小相等，方向相反；

棘爪的支撐力F3和下鏈節(jié)的斜拉力F2大小相等，方向相反；

下鏈節(jié)對上鏈節(jié)的斜拉力F2與上鏈節(jié)對下鏈節(jié)斜向上的支撐力F4大小相等，方向相反；

因此，棘爪承受的載荷F6與F4大小相等，方向相反，棘爪承受的載荷可用公式（1）計(jì)算：

機(jī)架導(dǎo)鏈槽承受的載荷F7與導(dǎo)鏈槽對下鏈節(jié)水平向右的支撐力F5大小相等，方向相反，機(jī)架導(dǎo)鏈槽承受的載荷F，可用公式（2）計(jì)算：

3.2 關(guān)鍵零部件的有限元分析

（1）模型處理。在有限元分析中，首先定義各個(gè)部件的材料參數(shù)和單元類型，計(jì)算選取止鏈器整體結(jié)構(gòu)，略去了非主承載結(jié)構(gòu)。使用實(shí)體模型建模計(jì)算，網(wǎng)格劃分以六面體為主。

（2）邊界條件及載荷加載。止鏈器底座施加Z方向和X方向的位移約束，并約束底座底端-Y軸方向的位移。把上述計(jì)算載荷加載到相應(yīng)位置處，如圖4所示。

圖4 止鏈器載荷加載及邊界條件

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述約束設(shè)定和加載計(jì)算，得到各關(guān)鍵零件的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，見表1。

表1 關(guān)鍵零部件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表1給出了關(guān)鍵零件的最大等效應(yīng)力和結(jié)合零件選用材料及厚度的材料性能。依據(jù)《海上移動(dòng)平臺入級規(guī)范》組合工況下等效應(yīng)力安全系數(shù)1.11[7]。其中棘爪、機(jī)架、制動(dòng)臂最大等效應(yīng)力發(fā)生在接觸區(qū)域表層，小于塑性許用應(yīng)力，接觸表層以外的其他區(qū)域均小于彈性許用應(yīng)力。其余零部件計(jì)算出最大等效應(yīng)力值均小于材料許用應(yīng)力值，因此止鏈器關(guān)鍵零件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)

依照《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》中要求，錨機(jī)裝置一般應(yīng)安裝有效的止鏈器。止鏈器應(yīng)能承受相當(dāng)于錨鏈破斷載荷80%的靜拉力，且止鏈器各零件應(yīng)力應(yīng)不大于自身材料屈服點(diǎn)的90%。因此，錨鏈破斷載荷80%的靜拉力，即為止鏈器拉力試驗(yàn)載荷值[8]。

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套錨鏈的拉力試驗(yàn)裝置，使用一條2.5 m的錨鏈對止鏈器進(jìn)行正常開合和應(yīng)急釋放試驗(yàn)[9]。模擬正常開合時(shí)，錨鏈處于張緊狀態(tài)，一端連在左側(cè)（導(dǎo)鏈孔側(cè)）的液壓千斤頂上，另一端連接在右側(cè)液壓千斤頂上，兩千斤頂同向同速向左移動(dòng)，止鏈器按照正常打開模式進(jìn)行動(dòng)作。模擬止鏈器應(yīng)急釋放時(shí)，錨鏈一端連在左側(cè)（導(dǎo)鏈孔側(cè)）的液壓千斤頂上，另一端連接在右側(cè)液壓千斤頂上，中間某一鏈節(jié)與棘爪嚙合，且棘爪左側(cè)的鏈條處于松弛狀態(tài)，為應(yīng)急釋放預(yù)留足夠的長度，右側(cè)千斤頂加壓時(shí)錨鏈張緊，止鏈器按照應(yīng)急釋放模式進(jìn)行動(dòng)作。

通過試驗(yàn)，正常打開和應(yīng)急釋放兩種拉力試驗(yàn)均成功實(shí)現(xiàn)打開止鏈器與鏈條脫離，因此，證明該止鏈器可以對錨鏈可靠制動(dòng)，也能滿足在遇到緊急工況時(shí)應(yīng)急釋放。

5 結(jié)論

通過分析，對止鏈器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；通過運(yùn)動(dòng)仿真，模擬了兩液缸之間的運(yùn)動(dòng)配合；通過靜力學(xué)計(jì)算和有限元仿真，分析了止鏈器各關(guān)鍵零部件的受力和應(yīng)力分布狀況。這為折疊式止鏈器以后的維修和結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級提供了分析方法理論支撐，也為國內(nèi)海上平臺系泊領(lǐng)域提供研究支持。