某船電動升降式雷達(dá)桅開發(fā)設(shè)計

陳壯 張夢婷 陳鵬

摘? ? 要：船舶因雷達(dá)桅高度往往導(dǎo)致其無法通過航道上有高度限制的建筑物，傳統(tǒng)的解決方案通常是把雷達(dá)桅做成局部可倒式。但可倒式桅桿存在諸多缺點，如布置受限于船舶長度方向的限制；可倒部分可能進(jìn)入磁羅經(jīng)的磁化范圍內(nèi)，影響磁羅經(jīng)使用；可倒桅桿長時間在磁羅經(jīng)范圍內(nèi)，可能被磁化，需要采用不銹鋼或鋁制等不受磁羅經(jīng)影響材料，成本高等。本文以某PCTC汽車滾裝船雷達(dá)桅為改進(jìn)目標(biāo)對象，設(shè)計開發(fā)一種電動升降式雷達(dá)桅，使用Solidworks對其機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度分析，使用AMESim對其驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行功能性驗證及可行性分析，以提高電動升降式雷達(dá)桅設(shè)計質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電動升降式雷達(dá)桅；Solidworks；AMESim

中圖分類號：U667.1? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Development Design of Marine Electric Lifting Radar Mast

Based on Solidworks and AMESim

CHEN Zhuang 1，? ZHANG Mengting2，? CHEN Peng3

（ 1. Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute， Shanghai 201203; 2.CSSC-WaiGaoQiao Cruise Supply Chain Co.， Ltd.，? Shanghai 200137;

3. CSSC Starry Energy Conservation Technology （Shanghai） Co.， Ltd.，? Shanghai 201203 ）

Abstract： The highest point of a ship is usually its radar mast， which always leads to the fact that the ship can not pass through special canal or special port which has a limit on ships height. The current design is generally to make the radar mast to partial reversible mast， but the reversible mast? ?has many disadvantages， such as： the arrangement is limited by the length direction of the ship; the reversible part may enter into the influence range of magnetic compass and affect the use of magnetic compass; the reversible part may be magnetized for entering long time into the influence range of magnetic compass， and need to use stainless steel or aluminum and other material not affected by magnetic compass， which cost expensive. Based on a PCTC Ro/Ro ships radar mast as an improving target object， this paper developed and designed an electrical lifting radar mast， by using Solidworks to analyze the strength of its mechanical executive system， and by using AMESim to verify the function and feasibility of its drive system， so as to optimize the design of electrical lifting radar mast.

Key words： electrical lifting radar mast;? Solidworks;? AMESim

1? ? ?前言

船舶逐漸大型化，船舶的高度越來越高。但目前很多航道、港口、運河對船舶的通行高度有限制，船舶的最高點一般是其桅桿，往往是導(dǎo)致船舶無法通過航道建筑物的直接因素。例如，某20 000箱級別的集裝箱，船的桅桿最大高度約為79 m，其尾部輕載吃水10 m，首部輕載吃水5.7 m，桅桿頂部距離其輕載吃水約71 m，而世界上一些著名的大橋，其通航凈高均小于70 m。如巴拿馬運河57.91/62.5 m、蘇伊士運河70 m、紐約港附近的Verrazano Bridge 69 m、舊金山港附近的Golden Gate 67 m、紐約港附近的Bayonne Bridge 66 m、丹麥島嶼間從北海至波羅的海的Great Belt Bridge 65 m。

江海直達(dá)航運的船舶需要進(jìn)入內(nèi)河航道，而內(nèi)河基建、橋梁建造時間久遠(yuǎn)，當(dāng)時并未考慮到后來航運業(yè)的發(fā)展，其通航凈高較小，使現(xiàn)有船舶因為受限于橋梁高度，而無法通過。以長江為例，部分主要橋樑的通航高度大致如下：蘇通大橋62 m；江陰、潤揚50 m；南京長江大橋24 m；武漢長江大橋18 m；1968年建成的南京大橋通行限高24 m；1957年建成的武漢大橋通行限高18 m；南京至武漢的橋的通行限高24 m；武漢上游的通行限高18 m。

為滿足通行要求，傳統(tǒng)解決方案一般是把雷達(dá)桅設(shè)計成局部可倒式。其通常由旋轉(zhuǎn)軸底座、旋轉(zhuǎn)軸、固定軸、固定軸底座；可倒桅桿、液壓油缸、桅桿支撐、桅頂平臺、桅頂平臺支撐結(jié)構(gòu)等組成，如圖1、圖2所示。通?？傻刮U為桁架式結(jié)構(gòu)，上面配備航行燈、信號燈、天線等航行信號設(shè)備。局部可倒式雷達(dá)桅底部設(shè)有銷軸孔，其通過旋轉(zhuǎn)軸安裝在旋轉(zhuǎn)軸底座上，并由固定軸安裝在固定軸底座上；底部設(shè)有液壓油缸連接孔，與液壓油缸連接。正常航行時，使用固定軸將可倒桅桿固定在垂直狀態(tài)。需要傾倒時，拆除固定軸后，可倒部分桅桿依靠液壓油缸的動作繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)至傾倒?fàn)顟B(tài)時，可倒桅桿支撐在桅桿支撐上。該狀態(tài)下，可倒部分桅桿往往處于磁羅經(jīng)的影響范圍內(nèi)。其中的液壓油缸也可以被卷揚機(jī)驅(qū)動的鋼絲繩、氣動缸、電動缸等代替。

該型式可倒桅桿通常會有如下缺點：由于桅桿一般布置在羅經(jīng)甲板上，向船尾方向通常會布置煙囪，桅桿無法向船尾傾倒；在船首方向一般會有磁羅經(jīng)，而可倒部分傾倒時又會進(jìn)入磁羅經(jīng)的磁化范圍內(nèi)（一般為4 m直徑的范圍內(nèi)）；可倒桅桿可能會長時間處于磁羅經(jīng)磁化范圍內(nèi)而被磁化，則需要采用不銹鋼或鋁制等不受磁羅經(jīng)磁化的材料，價格昂貴。因此，有必要設(shè)計一種新型雷達(dá)桅以替代目前局部可倒雷達(dá)桅方案，以解決目前可倒雷達(dá)桅的不足，并保證船舶能安全通過對高度有限制的港口及航道。

AMESim（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems）是一種工程系統(tǒng)高級建模的仿真平臺[1]。AMESim采用標(biāo)準(zhǔn)的ISO圖標(biāo)和簡單直觀的端口框圖，具有豐富的可用模型。例如，其涵蓋液壓、液壓管路、液壓元件設(shè)計、液壓阻力、機(jī)械、熱流體、電氣、控制等領(lǐng)域，上述領(lǐng)域均可在此開發(fā)平臺上統(tǒng)一實現(xiàn)系統(tǒng)工程的建模和仿真，而成為多科學(xué)、多領(lǐng)域系統(tǒng)分析的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，可為用戶建立復(fù)雜系統(tǒng)提供極大便利，為此，其廣泛地應(yīng)用于工控領(lǐng)域?？紤]到AMESim在控制及多領(lǐng)域一體仿真等方面的優(yōu)勢，本文在使用軟件Solidworks[2]完成電動升降式雷達(dá)桅模型搭建及機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，使用工業(yè)軟件AMESim完成電動升降式雷達(dá)桅驅(qū)動系統(tǒng)的模型搭建及仿真分析，以對其驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行功能性驗證及可行性分析，進(jìn)而優(yōu)化電動升降式雷達(dá)桅設(shè)計。

2? ? 電動升降式雷達(dá)桅概況

本電動升降式雷達(dá)桅設(shè)計以某型PCTC汽車滾裝船局部可倒雷達(dá)桅為目標(biāo)對象，設(shè)定其目標(biāo)功能：升降平臺起升重量3 000 kg，升降行程2 500 mm。電動升降式雷達(dá)桅系統(tǒng)功能設(shè)計為：以電動機(jī)為驅(qū)動力，通過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)及齒輪齒條驅(qū)動二級剪叉機(jī)構(gòu)裝置，控制雷達(dá)桅活動平臺上下移動，實現(xiàn)對雷達(dá)桅高度的控制。圖3分別為本電動升降式雷達(dá)桅正常航行狀態(tài)及通過限高建筑物狀態(tài)的示意。

3? ? 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計分析

本電動升降式雷達(dá)桅機(jī)械系統(tǒng)由機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)和機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)組成，包括電動機(jī)、蝸輪蝸桿、齒輪齒條、傳動軸、聯(lián)軸器、二級剪叉機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

機(jī)械系統(tǒng)功能實現(xiàn)方式為電動機(jī)驅(qū)動蝸輪蝸桿，與蝸輪共軸齒輪驅(qū)動齒條，齒條推動二級剪叉機(jī)構(gòu)下活動支點水平前后移動，進(jìn)而通過二級剪叉機(jī)構(gòu)帶動雷達(dá)桅升降平臺上下移動。

基于本升降式雷達(dá)桅運動部件主要由二級剪叉機(jī)構(gòu)及驅(qū)動系統(tǒng)組成，因此機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的重點應(yīng)在于二級剪叉機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析及驅(qū)動系統(tǒng)的功能性驗證及可行性分析。

3.1? ?二級剪叉機(jī)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析

根據(jù)初步設(shè)計參數(shù)，在三維軟件Solidworks中搭建升降式雷達(dá)桅三維模型，其中二級剪叉機(jī)構(gòu)正常航行及通過限高建筑物的狀態(tài)，如圖5和圖6所示。

考慮到二級剪叉機(jī)構(gòu)在下降/收起狀態(tài)時受力較大，因此對此工況下的二級剪叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。在Solidworks中搭建仿真分析模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖7所示。

設(shè)定仿真參數(shù)，固定二級剪叉機(jī)構(gòu)活動支點，添加重力及載重力，設(shè)定零部件材料屬性，運行仿真模型，二級剪叉機(jī)構(gòu)應(yīng)力仿真結(jié)果，如圖8和圖9所示。

由有限元分析結(jié)果可知，剪叉桿及鉸鏈強(qiáng)度滿足要求，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在活動鉸鏈處，最大應(yīng)力約為243 MPa，為保證二級剪叉機(jī)構(gòu)可靠性，活動鉸鏈可進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。

3.2? ?驅(qū)動系統(tǒng)功能驗證分析

在工業(yè)仿真軟件AMESim中搭建驅(qū)動系統(tǒng)模型，包括電動機(jī)、蝸輪蝸桿、齒輪齒條、傳動軸及計算模塊等，如圖10和圖11所示。

其中齒條推/拉力與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系計算模塊需對二級剪叉機(jī)構(gòu)受力分析后得出，根據(jù)虛位移原理，即作用在質(zhì)點系所有主動力在系統(tǒng)的任何虛位移上所做的虛功之和等于零，即 ，該雷達(dá)桅二級剪叉機(jī)構(gòu)主動力示意如圖12所示。

以二級剪叉機(jī)構(gòu)為平衡對象，作用在系統(tǒng)上的主動力包括載重力P及齒條推拉力F，設(shè)定豎直方向為Y軸，水平方向為X軸，剪叉桿長度為L，則有：

Wy = 2 L sin a? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

δWy? = 2 L cos a δa? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

Bx = L cos a? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

δBx = -L sin a δa? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

根據(jù)虛位移原理，剪叉機(jī)構(gòu)上升過程主動力包括載重力P及齒條推/拉力F滿足如下公式：

2·F·δBx +（-P·δWy ）= 0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

由公式（1）～（5）可推導(dǎo)出二級剪叉機(jī)構(gòu)上升過程中齒條推/拉力F與載重力P及剪叉桿角度a的關(guān)系為：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

同理，剪叉機(jī)構(gòu)下降過程主動力包括載重力P及齒條推/拉力F滿足如下公式：

2·F·δBx +（P·δWy ）= 0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

由公式（1）～（4）及公式（7）可推導(dǎo)出二級剪叉機(jī)構(gòu)下降過程中齒條推/拉力F與載重力P及剪叉桿角度a的關(guān)系：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

完成齒條推/拉力與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系分析后，根據(jù)初步設(shè)計參數(shù)設(shè)定仿真模型各參數(shù)，啟動仿真模型，得到齒條推/拉力及蝸桿轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線，如圖13、圖14所示。

最終仿真結(jié)果，齒條初始推拉力約為109 742 N，與理論計算值105 844 N基本相符；蝸桿所需最大轉(zhuǎn)矩約為434 N·m，計算可得電動機(jī)功率約為28 kW，與理論計算值27.3 kW基本相符。仿真結(jié)果表明本驅(qū)動系統(tǒng)功能符合設(shè)計要求。

4? ? 結(jié)束語

本文提出了一種電動升降式雷達(dá)桅方案來替代傳統(tǒng)的雷達(dá)桅局部可倒桅方案，解決了目前可倒桅影響磁羅經(jīng)正常使用等問題，并保證船舶能通過有通行高度限制的建筑物。使用三維軟件Solidworks完成電動升降式雷達(dá)桅主要模型搭建及關(guān)鍵零部件強(qiáng)度分析，使用工業(yè)軟件AMESim完成電動升降式樣雷達(dá)桅驅(qū)動系統(tǒng)的仿真分析，驗證電動升降式雷達(dá)桅驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的可行性，可提高其設(shè)計質(zhì)量。為進(jìn)一步深化設(shè)計工作，以利投入到實船應(yīng)用，建議后步對二級剪叉機(jī)構(gòu)鉸鏈進(jìn)行優(yōu)化及雷達(dá)桅振動分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁全，謝基晨，聶利衛(wèi). Amesim機(jī)電一體化仿真教程[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2021.

[2] 魏崢，趙功，宋曉明. Solid Works 設(shè)計與應(yīng)用教程[M].北京： 清華大學(xué)出版社， 2009.

作者簡介：陳? 壯 （1991- ），男，高級工程師。從事船舶舾裝設(shè)計工作。

張夢婷 （1989- ），女，高級工程師。從事船舶結(jié)構(gòu)、舾裝設(shè)計工作。

收稿日期：2022-06-27