12方鋼索抓斗挖泥船定位樁系統(tǒng)的研制*

吳平平，孫長(zhǎng)林

（廣東精銦海洋工程股份有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

長(zhǎng)江航道工程局12方（普通標(biāo)準(zhǔn)斗50方）鋼索式抓斗挖泥船由兩套固定定位樁（工作樁）裝置，一套移船定位樁（行走樁）裝置以及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成。升降裝置作為挖泥船的核心，其性能對(duì)挖泥船的工作效率具有較高的影響。

現(xiàn)階段可升降的船只的升降單元多采用齒輪齒條式、液壓頂升式升降和攬繩牽引式，對(duì)于齒輪齒條式升降單元[12]，其潤(rùn)滑條件差，制造和維護(hù)成本高，當(dāng)載荷較大時(shí)，需要采用大模數(shù)齒輪，對(duì)于加工較為困難。發(fā)生斷齒時(shí)，需報(bào)廢整個(gè)齒輪更換新齒輪，因此制造和維護(hù)費(fèi)用高；對(duì)于液壓頂升式升降單元，其需要多個(gè)液壓缸按照對(duì)應(yīng)工步配合才能實(shí)現(xiàn)工作，控制較為繁雜，需要的管路元件較多，對(duì)油液清潔度也有要求。

相對(duì)比3種升降方式而言，齒輪齒條的工作性能較好，本文12方鋼索式抓斗挖泥船采用與齒輪齒條相類似的銷輪齒條式升降，此升降方式兼顧了齒輪齒條的優(yōu)點(diǎn)，只要控制輸入端電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即可使升降單元平穩(wěn)連續(xù)升降。同時(shí)，銷輪齒條是以銷輪代替齒輪，減少了切齒、磨齒、齒面硬化等加工環(huán)節(jié)，降低了制造成本。在銷輪銷軸磨損或斷裂時(shí)，只要更換單個(gè)銷輪的銷軸銷套，因此維護(hù)成本低。

由于銷輪齒條升降方式是利用銷輪與齒條嚙合傳遞動(dòng)力，國(guó)內(nèi)使用銷輪齒條機(jī)構(gòu)的不多，可追溯到1992年用于煤礦上[1]，對(duì)銷齒的齒條嚙合進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)特性分析。對(duì)于銷輪齒條沒有較為規(guī)范的設(shè)計(jì)方法，但對(duì)于銷輪齒條機(jī)構(gòu)的研究已經(jīng)有一些文獻(xiàn)可查閱。趙勇[2]采用了齒輪齒條為升降核心的浮動(dòng)定位樁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條達(dá)到升降效果。季勇志[3]對(duì)絞吸船定位樁抗沖擊能力進(jìn)行了研究，結(jié)論表明，大力開展柔性定位樁的開發(fā)和研制工作，可進(jìn)一步提高絞吸船定位樁的抗風(fēng)浪沖擊能力，其為12方鋼索式抓斗挖泥船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定參考。劉洪波等[4]對(duì)于升降系統(tǒng)的升降核心類型做了詳細(xì)介紹，并對(duì)定位樁升降裝置進(jìn)行了研究分析。李楠[6]將銷輪銷齒傳動(dòng)技術(shù)運(yùn)用于臂式斗輪機(jī)上。季湘嵐等[5]結(jié)合三樁定位反鏟挖泥船的作業(yè)特點(diǎn)，分析三樁定位的反鏟挖泥船環(huán)境載荷和作業(yè)載荷計(jì)算方法，建立在環(huán)境載荷和工作載荷共同作用下挖泥船三根鋼樁的載荷計(jì)算模型，為反鏟挖泥船設(shè)計(jì)制造提供載荷計(jì)算方法。對(duì)本文所采用的定位樁布置具有一定的參考。孫寶錄等[7]分析銷齒傳動(dòng)的應(yīng)用，并分析了銷齒傳動(dòng)的工作原理，解釋了銷齒嚙合時(shí)的齒廓計(jì)算，并給出了重合度計(jì)算公式，利用其對(duì)銷齒的計(jì)算公式，可以相似地推理出齒條的強(qiáng)度計(jì)算方法，對(duì)于設(shè)計(jì)銷輪齒條齒廓線具有參考價(jià)值。曾星[8]對(duì)于銷齒傳動(dòng)齒廓曲線進(jìn)行解析計(jì)算法。普通銷齒傳動(dòng)，在節(jié)點(diǎn)附近曲率半徑較小，根據(jù)赫芝理論，與銷齒輪嚙合時(shí)產(chǎn)生較大接觸應(yīng)力，成為該機(jī)構(gòu)點(diǎn)蝕和磨損的主要原因。為解決這一問題，應(yīng)充分利用漸開線和擺線齒廓的各自優(yōu)點(diǎn)——即節(jié)圓附近工作段采用漸開線和其他部分為擺線，優(yōu)化設(shè)計(jì)構(gòu)造一種綜合性能優(yōu)良的漸開線——擺線復(fù)合齒廓的銷齒傳動(dòng)，對(duì)于銷輪齒條的齒廓線的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。吳林、張蕓、張鵬、鮑兵兵等[9-10]對(duì)銷輪齒條傳動(dòng)升降裝置進(jìn)行了探討和研究，可為海上平臺(tái)升降系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考思路。

雖然前人做了大量的銷輪齒條的理論研究，但在應(yīng)用階段產(chǎn)品較少，文本充分參考研究理論基礎(chǔ)，將銷輪齒條機(jī)構(gòu)運(yùn)用于12方鋼索式挖泥船定位樁系統(tǒng)升降單元中，但在同類產(chǎn)品中其使用甚少，且在實(shí)際使用中設(shè)備受到環(huán)境因素的影響，為了使其在使用中具有較高的可靠性，本文參考其他產(chǎn)品的定位樁挖泥船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，基于12方鋼索式挖泥船定位樁系統(tǒng)各個(gè)部件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用有限元軟件ANSYS對(duì)升降單元整體進(jìn)行應(yīng)力分析。得出銷輪齒條升降單元各個(gè)部件的最大應(yīng)力點(diǎn)和最大應(yīng)力，為確保各個(gè)部件能夠正常運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持，本文避免了在使用齒輪齒條式升降單元的挖泥船成本高、制造工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)，卻保留了齒輪齒條式升降單元的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)具有升降單元的船只研究具有較好的社會(huì)效益。

1 升降裝置設(shè)計(jì)方案

定位樁升降樁裝置有多種型式，根據(jù)船舶的使用要求及船舶各種設(shè)計(jì)工況，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)齒輪齒條實(shí)現(xiàn)升降的裝置，作為12方抓斗挖泥船的的定位樁的升降裝置。

采用液壓減速箱齒輪齒條升降裝置提升、下放和鎖緊定位樁，在鋼樁升降過程中可以控制鋼樁的升降速度，使其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，且具備強(qiáng)勁的壓樁和拔樁能力，能在施工區(qū)域河床要求的地質(zhì)條件下順利地將鋼樁壓入和拔出。同時(shí)升降裝置利用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，達(dá)到驅(qū)動(dòng)力恒定的效果，受外界影響較小。

根據(jù)船舶的使用要求和船舶各種設(shè)計(jì)工況，升降系統(tǒng)若采用常規(guī)的漸開線變位齒輪齒條傳動(dòng)，為滿足其承載要求，其一是使用多組標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)齒輪齒條進(jìn)行均布承載，其二是使用大模數(shù)的傳動(dòng)副的齒輪和齒條。使用多組標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)齒輪存在成本高，難以實(shí)現(xiàn)同步控制等。對(duì)于這類大模數(shù)齒輪（齒條），加工制造技術(shù)要求較高，目前國(guó)內(nèi)具有加工此類大模數(shù)齒輪(齒條)的大型機(jī)械設(shè)備的廠家為數(shù)不多。即使有這類加工設(shè)備，由于模數(shù)較大導(dǎo)致齒輪（齒條）重量和體積較大，加工成本也相當(dāng)高。

由于抓斗挖泥船升降系統(tǒng)的使用頻率高于其他船舶的升降系統(tǒng)，因此，升降裝置在接觸強(qiáng)度上要求更高?；谝陨显颍捎昧诉m應(yīng)于重載、低速、粉塵多、潤(rùn)滑條件差等工作較惡劣環(huán)境的銷齒傳動(dòng)作為升降樁腿的傳動(dòng)裝置。

銷齒傳動(dòng)是利用銷結(jié)構(gòu)替代漸開線齒輪，傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：銷齒齒輪的輪齒是圓柱銷形，和一般的輪齒相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造加工容易、造價(jià)低、拆修方便；齒部在工作過程采用受力工況好的簡(jiǎn)支梁；當(dāng)銷輪的銷齒破壞時(shí)只需個(gè)別更換銷齒，無需將整個(gè)銷齒輪報(bào)廢；在條件允許的情況下，以銷齒齒輪代替較大模數(shù)的一般漸開線齒輪，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。表1所示為齒輪齒條和銷齒傳動(dòng)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)比較。

表1 齒輪齒條和銷齒傳動(dòng)裝置比較

2 定位樁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

12方鋼索抓斗挖泥船定位樁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上主要由定位樁系統(tǒng)、行走（移船）樁裝置、工作（固定樁裝置）、減速箱體、定位樁、鋼樁升降裝置、安裝基座組成，本節(jié)將詳細(xì)敘述12方鋼索抓斗挖泥船定位樁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)[11]。

2.1 定位樁系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)組成

定位樁系統(tǒng)組成包括行走樁裝置一套和工作樁裝置兩套（左右各一套），定位樁系統(tǒng)參數(shù)如表2所示，其中樁腿的升降速度與升降載荷有關(guān)，當(dāng)船舶升降載荷達(dá)到最大（160 t）時(shí)，定位樁樁腿的升降速度為3 m/min，當(dāng)船舶的升降載荷為最小（80 t）時(shí)，其升降速度可適當(dāng)提高，為6 m/min，因此，定位樁系統(tǒng)工作時(shí)的升降速度可根據(jù)載荷不同視情況而定。

表2 定位樁系統(tǒng)參數(shù)表

2.1.2 系統(tǒng)布置

如圖1所示，定位樁系統(tǒng)布置如下：一套行走樁總成（移船定位樁裝置）布置在船的首部中間的開槽里，兩套工作樁（固定樁）布置在船中左右兩舷的開槽里。

圖1 定位樁系統(tǒng)布置

2.2 行走（移船）樁裝置

如圖2所示，行走樁總成外形主要由行走裝置部分和升降裝置部分組成。行走部分由公共底座、擺動(dòng)基架、擺動(dòng)油缸和擺動(dòng)油缸基架組成，通過液壓驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)油缸實(shí)現(xiàn)行走樁擺動(dòng)動(dòng)作，達(dá)到船舶移動(dòng)的目的。升降裝置部分由一套輪系和銷輪齒條傳動(dòng)裝置組成，實(shí)現(xiàn)樁腿的升降，全部由液壓驅(qū)動(dòng)。

圖2 行走樁總成外形

2.3 工作樁（固定樁）裝置

如圖3所示，工作樁主要由一套輪系和銷輪齒條傳動(dòng)裝置組成，實(shí)現(xiàn)樁腿的升降，全部通過液壓驅(qū)動(dòng)。

圖3 工作樁總成（左、右）外形

2.4 減速箱體

減速箱體及傳動(dòng)裝置是裝置的核心部分，減速箱體和底座采用焊接工藝制造。有以下特點(diǎn)：（1）根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算使用不同厚度、不同形狀連接；（2）部件成型后剛度大，整體性好；結(jié)構(gòu)重量輕，節(jié)省金屬材料，據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)較鉚接工藝，焊接工藝制造節(jié)省金屬15%～20%，較鑄件節(jié)省金屬40%左右，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量；（3）相對(duì)于鉚接和鑄造改善了勞動(dòng)條件，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，生產(chǎn)效率高；（4）采用安裝底座和減速箱主體分開的設(shè)計(jì)，方便制造，保證傳動(dòng)精度，安裝、維修方便。

2.5 定位樁

圖4所示為定位樁鋼樁，其制造要求：（1）鋼樁制造及吊裝相關(guān)工藝是經(jīng)過甲、乙雙方同意并經(jīng)CCS批準(zhǔn)；（2）鋼樁制造過程中，使用3D激光測(cè)量?jī)x進(jìn)行樁腿尺寸控制和檢測(cè)，以保證樁腿合攏后尺寸滿足圖紙要求。所有鋼樁焊接焊縫及其永久吊點(diǎn)焊縫均要求進(jìn)行探傷，不允許在鋼樁任何材料上進(jìn)行任何點(diǎn)焊、氣割操作；（3）鋼樁為正方形箱型結(jié)構(gòu)，在鋼樁一側(cè)焊接供升降的齒條；（4）鋼樁的材料為CCS-DH36，齒條材料為CCSEH51，有CCS認(rèn)可的材質(zhì)證明書。

圖4 鋼樁

鋼樁具有良好的水密性能，主要參數(shù)如下：外形尺寸為1.5 m×1.5 m；長(zhǎng)度約34 m；鋼樁圍壁板厚為22 mm；鋼樁四角設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，樁尖單獨(dú)加強(qiáng)。

鋼樁焊接加工完成后精度要求：任意4 m長(zhǎng)度以內(nèi)直線度誤差不超過2 mm；鋼樁橫截面加工精度要求0～+3 mm。

鋼樁所有拼接焊縫及鋼樁永久吊點(diǎn)焊縫均為全熔透焊縫，要求進(jìn)行100%UT和100%MT，所有未焊透焊縫100%MT，并滿足CCS和船東的要求。

2.6 鋼樁升降裝置

2.6.1 銷輪傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

圖5所示為銷輪齒條傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)，圖中，齒條通過焊接與鋼樁連接在一起，銷齒銷安裝在銷輪上，液壓馬達(dá)通過減速箱輪系后驅(qū)動(dòng)銷齒齒輪，銷輪的銷齒和齒條上的齒嚙合并驅(qū)動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)船舶的鋼樁上下運(yùn)動(dòng)達(dá)到升樁或壓樁的目的。

圖5 銷輪齒條傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

由于抓斗船上定位樁的齒條是要隨定位樁反復(fù)插入泥土的，如果采用普通的銷齒齒條，銷齒的運(yùn)動(dòng)部位極易受泥沙污染和海水腐蝕。為了克服普通銷齒輪和齒條作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)由于銷齒輪為主動(dòng)件會(huì)降低其傳動(dòng)效率的缺點(diǎn)，采用了帶有銷齒套的銷齒結(jié)構(gòu)（圖6）：在銷齒上設(shè)有銷齒套，銷齒套套在銷齒軸上，銷齒套圍繞銷齒軸柱轉(zhuǎn)動(dòng)，銷齒套與銷齒軸間為動(dòng)配合[12]。

圖6 帶銷套銷齒的結(jié)構(gòu)

當(dāng)帶銷齒套的銷齒轉(zhuǎn)動(dòng)與齒條直接接觸，特別是經(jīng)過齒條齒頂部相對(duì)運(yùn)動(dòng)為滑動(dòng)摩擦?xí)r；銷齒套就圍繞銷齒軸轉(zhuǎn)動(dòng)，銷齒套與銷齒軸間產(chǎn)生的近乎滾動(dòng)摩擦代替了銷套和齒條齒間的滑動(dòng)摩擦，因此磨損程度大大降低，從而提高了傳動(dòng)效率，延長(zhǎng)了銷齒及齒條的使用壽命。表3所示為帶銷套銷輪齒條與不帶銷套銷輪齒條的差異。

表3 帶銷套輪銷齒條和普通銷輪齒條傳動(dòng)裝置性能比較

2.6.2 齒條齒形

通過對(duì)銷齒與不同齒形的齒條嚙合時(shí)運(yùn)動(dòng)分析可知，要使銷輪中心速度是一恒定值，銷齒在前半嚙合過程要求齒形是凸外擺線，而在后半嚙合過程要求齒形是凹外擺線最好。雖然上凸下凹的齒形加工工藝較為復(fù)雜，但是目前在數(shù)控機(jī)床上加工已經(jīng)不是問題。齒條齒形采用凸外擺線。如圖7齒條所示，其具體參數(shù)：齒條板厚度為150 mm；齒頂圓直徑為205 mm；齒距為410 mm；長(zhǎng)度為26670 mm。

圖7 齒條

2.7 安裝基座

升降裝置的安裝方式直接影響到本船的使用性能和使用壽命。此次采用有安裝基座型式。就是升降齒輪箱的本體和船體不是直接接觸，而是在升降齒輪箱的本體和船體主體結(jié)構(gòu)間有一剛性基座。如圖8、圖9所示，在安裝基座的設(shè)計(jì)和制造過程中有以下考慮：（1）剛性基座能承受船舶的各種設(shè)計(jì)工況負(fù)載；（2）基座的構(gòu)件盡量和船舶主體的構(gòu)件對(duì)齊，基座的整體高度上有足夠的余量，經(jīng)過修配后和主船體的安裝定位樁裝置的局部外形吻合；（3）通過計(jì)算確定螺栓、螺母的尺寸和數(shù)量，保證在船舶的各種設(shè)計(jì)工況不會(huì)松動(dòng)和損壞，固定螺栓的強(qiáng)度必須能保證升降裝置在長(zhǎng)期運(yùn)行中不產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)；（4）安裝基座上的安裝螺孔盡量避開基座上的肘板，保證基座的強(qiáng)度及減速箱體的安裝方便，考慮到減速箱體管線的連接方便；（5）為了保證升降裝置在船舶的各種設(shè)計(jì)工況可靠的工作，安裝底座和減速箱安裝時(shí)必須考慮止推措施，本基座和升降裝置齒輪箱安裝時(shí)，基座上裝有止推塊；（6）考慮到減速齒輪箱在船舶上二次安裝的準(zhǔn)確性，在減速箱和安裝基座見配有緊配螺栓。

圖8 行走樁裝置安裝基座

圖9 工作樁裝置安裝基座

3 升降裝置建模設(shè)計(jì)計(jì)算

為探究銷齒齒條的力學(xué)性能，分析其是否滿足12方鋼索式挖泥船的工況，通過有限元軟件模擬銷齒和齒條，并在升降載荷160 t工況下，建模并計(jì)算出銷齒和齒條應(yīng)力分布情況，并通過不同齒厚對(duì)銷齒和齒條的應(yīng)力趨勢(shì)進(jìn)行比較分析。

3.1 計(jì)算內(nèi)容及前提

本次有限元仿真中，所采用的基本參數(shù)如下。（1）模型中采用單位制，長(zhǎng)度：mm；時(shí)間：s；質(zhì)量：kg；力：N；應(yīng)力：MPa。（2）鋼材楊氏模量全部取E=206×GPa，泊松比取0.3。（3）模型間有摩擦接觸關(guān)系的動(dòng)摩擦因數(shù)全部取0.15。（4）模型：銷齒的模型，與銷齒相聯(lián)的部分基礎(chǔ)的模型。

3.2 分析計(jì)算

本模型有限元分析采用下的模型，其設(shè)計(jì)參數(shù)為：銷齒數(shù)量為10；銷軸直徑為125 mm；銷套直徑為205 mm；銷齒中心分布直徑為1303.81 mm。

約束條件根據(jù)實(shí)際情況簡(jiǎn)化，F(xiàn)ixed support固定約束安裝基座的底面；Cylindrical Support約束銷輪徑向，使其不能轉(zhuǎn)動(dòng)；加載情況根據(jù)技術(shù)規(guī)格書所述技術(shù)要求，額定載荷工況下，最大載荷為160 t。模擬計(jì)算時(shí)，此載荷加載在齒條上，其加載載荷為點(diǎn)力，位于鋼樁的頂部齒條齒根附近，其加載載荷為F=1568000 N。

3.3 計(jì)算結(jié)果

本文通過有限元仿真應(yīng)力分析，對(duì)幾組重要受力部件做了應(yīng)力分析，分別為齒條的仿真應(yīng)力分析、銷軸的仿真應(yīng)力分析、銷套的仿真應(yīng)力分析、銷輪的仿真應(yīng)力分析、銷輪安裝座的仿真應(yīng)力分析。

齒條仿真應(yīng)力分析：齒條受力面積增大，齒條最大應(yīng)力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；齒條所受最大應(yīng)力并非在齒面處而是在樁腿的內(nèi)側(cè)，即齒條本身所受應(yīng)力較低，其最大應(yīng)力為274.97 MPa，滿足使用強(qiáng)度要求。

銷軸的仿真應(yīng)力分析：其最大應(yīng)力點(diǎn)位于銷軸的中部軸圓周上，其最大應(yīng)力375.46 MPa，若銷齒跨度增大，所受彎矩變大，銷齒最大應(yīng)力呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。銷軸滿足強(qiáng)度要求。

銷套仿真應(yīng)力分析：最大仿真應(yīng)力點(diǎn)位于銷套內(nèi)部的孔位置大小突變處，最大應(yīng)力為322.72 MPa。

銷輪仿真應(yīng)力分析：最大應(yīng)力點(diǎn)位于銷輪與銷軸連接的孔上，由此可知銷軸所受到的力通過銷輪的銷軸孔傳遞到銷輪上，因而銷輪上的孔容易發(fā)生疲勞破壞，使得銷輪上的銷軸孔變大，因此在設(shè)計(jì)銷輪時(shí)需要注意。其最大應(yīng)力為274.97 MPa。

銷輪安裝基座仿真應(yīng)力分析：最大應(yīng)力點(diǎn)位于安裝基座的銷輪安裝孔上，最大應(yīng)力為274.97 MPa，銷輪齒箱安裝基座應(yīng)力變化很小，基本處于與銷輪連接處。

4 結(jié)束語

銷輪齒條傳動(dòng)技術(shù)運(yùn)用在海洋工程船舶升降裝置上，應(yīng)用該傳動(dòng)方式的升降裝置可以降低生產(chǎn)成本和維修成本，該技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域推廣使用也將創(chuàng)造很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)于船東和設(shè)備生產(chǎn)廠家都是有利的。