履帶式近?？焱н\(yùn)移平臺的創(chuàng)新設(shè)計

，，2，，，

(1.中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.海洋物探及勘探設(shè)備國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580；3.渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦 124010)①

隨著近岸海域作業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，安全高效地轉(zhuǎn)移水陸人員及物資問題在近海工程領(lǐng)域顯得尤為重要。近海快艇作為海洋石油裝備的配套設(shè)備是進(jìn)行人員及物資輸送的有力保障[1-2]。

目前，國內(nèi)外用于快艇系泊的主要設(shè)備是近海碼頭或鋼制小平臺，機(jī)動靈活性差，作業(yè)效率低。且在面對沿海地區(qū)周期性災(zāi)害(如滸苔)時無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移作業(yè)，安全保障性差。因此，設(shè)計安全可靠、機(jī)械化程度高的履帶式近?？焱н\(yùn)移平臺具有非常重要的意義。

1 基于TRIZ理論的運(yùn)移平臺設(shè)計

1.1 問題分析與創(chuàng)新方案

傳統(tǒng)的快艇系泊主要通過岸灘系泊或鋼制小平臺(如圖1)實(shí)現(xiàn)的。該運(yùn)輸方式存在以下問題：①安全穩(wěn)定系數(shù)低，抗海浪能力差；②物體長度體積龐大，不具備機(jī)動性能；③環(huán)境適應(yīng)性能力差。

圖1 傳統(tǒng)鋼制快艇系泊平臺

TRIZ理論是基于知識的、面向人的發(fā)明問題，解決理論和系統(tǒng)化的方法學(xué)。其思路是將具體問題轉(zhuǎn)換為TRIZ問題，通過TRIZ體系中理論和工具方法獲得通用解。然后將TRIZ通用解轉(zhuǎn)化為具體問題的解，并在實(shí)際問題中加以實(shí)現(xiàn)，從而獲得問題的解決[3-6]。

針對實(shí)際問題，提出一種機(jī)械運(yùn)移平臺創(chuàng)新設(shè)計理念，即履帶式運(yùn)移平臺?；赥RIZ理論，首先確定該設(shè)計理念在設(shè)計過程中的技術(shù)沖突：

1) 應(yīng)改善的工程參數(shù)——運(yùn)動物體的長度(No.4)，運(yùn)動物體的體積(No.7)，可靠性(No.27)，自動化程度(No.35)。

2) 惡化的工程參數(shù)——可制造性(No.32)，系統(tǒng)的復(fù)雜性(No.36)，控制和測量的復(fù)雜性(No.37)。

查閱阿奇舒勒矛盾矩陣[7]，得到相應(yīng)發(fā)明創(chuàng)新原理，綜合分析實(shí)際工況及系統(tǒng)效率，選取1、13、17、29等4條原理解決上述問題，并提出相應(yīng)的創(chuàng)新設(shè)計方案，如表1所示。

表1 選用的發(fā)明原理

基于上述選取的發(fā)明原理，對傳統(tǒng)普通鋼制平臺提出創(chuàng)新方案設(shè)計。①空間維數(shù)變化原理：用以解決傳統(tǒng)平臺長度過長問題。根據(jù)該原理將二維平臺變?yōu)槿S鋼制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)快艇與平臺升降銜接；②反向作用原理：用以保證設(shè)備發(fā)生故障時的應(yīng)急處置措施。根據(jù)該原理采用應(yīng)急輪升降方式以實(shí)現(xiàn)設(shè)備整體舉升，克服履帶驅(qū)動失效下陷停車情況；③氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理：用以解決機(jī)械設(shè)備體積龐大，傳動機(jī)構(gòu)空間占用比高等問題。根據(jù)該原理采用液壓傳動，操縱簡單，便于實(shí)現(xiàn)傳動機(jī)構(gòu)緊密布置；④模塊化：用以提高設(shè)備的自動化程度。根據(jù)該原理在設(shè)計過程中采用模塊化設(shè)計以滿足系統(tǒng)不同需求。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

綜合考慮上述創(chuàng)新方案，設(shè)計了履帶式近?？焱н\(yùn)移平臺，主要由履帶驅(qū)動總成、應(yīng)急升降輪、起升系統(tǒng)總成、主支承框架、動力操作系統(tǒng)等模塊組成。通過整體模塊化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)整機(jī)前進(jìn)、轉(zhuǎn)向以及爬坡。如圖2所示。

1—動力操作系統(tǒng)；2—履帶驅(qū)動總成；3—應(yīng)急升降輪；4—鋼絲繩；5—主支承框架；6—起升框架。
圖2 履帶式近?？焱н\(yùn)移平臺結(jié)構(gòu)示意

1.3 運(yùn)移平臺基本參數(shù)

行走方式 履帶式

外形尺寸 10 380 mm×5 300 mm×5 800 mm

行走速度 3.2～6 km/h

最大離岸距離 100 m

最大吃水深度 3 m

最大載質(zhì)量 7 110 kg

最大牽引力 229 kN

爬坡角度 ≤22°

起升速度 10 m/min

2 工作原理與計算分析

2.1 工作原理

履帶式近海快艇運(yùn)移平臺作為一種特殊工程車輛，其行走過程基本與履帶挖掘機(jī)相仿，都是采用液壓馬達(dá)驅(qū)動履帶實(shí)現(xiàn)沙灘淺海行走。運(yùn)移平臺主機(jī)機(jī)架上安裝有R6105IZLD型柴油機(jī)、用于整機(jī)行走的液壓系統(tǒng)、用于應(yīng)急輪升降的液壓系統(tǒng)、用于起升框架升降的液壓系統(tǒng)、操縱座椅等。主支承框架與起升框架為鋼制焊接結(jié)構(gòu)(如圖3)。起升框架嵌于主支承框架內(nèi)，通過4個滑動導(dǎo)槽約束自由度，保證只能進(jìn)行上下方向相對滑動；起升框架由左右各2根對稱鋼絲繩拴結(jié)，鋼絲繩通過滑輪組變向固定到一側(cè)液壓缸活塞桿上，如圖4所示。應(yīng)急輪安裝于主支承框架矩形鋼立柱內(nèi)部的活動柱塞上，柱塞與應(yīng)急液壓系統(tǒng)液壓缸活塞連接?？紤]海上工程結(jié)構(gòu)物腐蝕問題，在底盤部分位置裝有防護(hù)鋅塊。

圖3 主支承框架和起升框架

圖4 鋼絲繩起升機(jī)構(gòu)

當(dāng)整機(jī)行駛到海中時，首先確保整機(jī)入水中深度大于快艇吃水深度?？焱я?cè)肫鹕蚣?，然后用于起升框架升降的液壓系統(tǒng)工作，活塞桿帶動4根鋼絲繩運(yùn)動，起升框架裝載快艇起升，直至快艇與平臺對接，進(jìn)行人員物資交替轉(zhuǎn)移；下放起升框架，使快艇浮于水面，倒車駛出平臺。運(yùn)移平臺駛回陸地，進(jìn)行人員物資轉(zhuǎn)接工作。當(dāng)運(yùn)移平臺處于淺海故障停車時，應(yīng)急輪升降機(jī)構(gòu)工作，支撐整個運(yùn)移平臺使履帶離開海底地面，可通過外加力作用使平臺拖回陸地返修。

2.2 計算分析

2.2.1整機(jī)質(zhì)量質(zhì)心

通過整機(jī)建模分析，履帶式近?？焱н\(yùn)移平臺滿載整機(jī)質(zhì)量為

m=m0+m1+m2=32 000

(1)

式中：m0為設(shè)備質(zhì)量，取26 000 kg；m1為滿載時人員物資質(zhì)量，取2 500 kg；m2為快艇質(zhì)量，取3 500 kg。

履帶式近海快艇運(yùn)移平臺在空載與滿載時質(zhì)心位置改變較大，參考GB/T 3871.15―2006，要求對運(yùn)移平臺質(zhì)心位置進(jìn)行計算?？蛰d時，質(zhì)心至后支承點(diǎn)的距離A0=1 700 mm，質(zhì)心至前支承點(diǎn)的距離B=1 050 mm，質(zhì)心至地面的距離h0=950 mm；滿載時，質(zhì)心至后支承點(diǎn)的距離A0=950 mm，質(zhì)心至前支承點(diǎn)的距離B=1 800 mm，質(zhì)心至地面的距離h0=640 mm。

2.2.2穩(wěn)定性計算

為保證運(yùn)移平臺在水陸地表行駛時具有良好的穩(wěn)定性能，需要對不同作業(yè)工況下的整機(jī)穩(wěn)定性進(jìn)行計算。保證運(yùn)移平臺爬坡時不縱向翻傾的條件為

A0/h0>δ=0.7

(2)

式中：δ為滑轉(zhuǎn)率。

空載時，A0/h0=1.79>0.7；滿載時，A0/h0=1.48>0.7。因此，整機(jī)滿足爬坡時不縱向翻傾條件。

保證運(yùn)移平臺在無橫向坡度轉(zhuǎn)彎時，不橫向翻傾的條件為

a/2h>δ=0.7

(3)

式中：a為軌距，取4 000 mm。

空載時，h0=950 mm，a/2h0=2.10>0.7；滿載時，h0=640mm，a/2h0=3.125>0.7。因此，運(yùn)移平臺在空、滿載運(yùn)行中均能滿足無橫向坡度轉(zhuǎn)彎時不橫向翻傾的條件，整機(jī)穩(wěn)定性良好。

2.2.3接地比壓

參照GB/T 7586―2008，運(yùn)移平臺本身的重力大，容易陷入松軟的土地中，利用履帶后增大了與地面的接觸面積，減小了應(yīng)力。

(4)

式中：Ea為接地比壓，MPa；L為履帶接地長度，取2 800 mm；gn為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，取9.8 m/s2；b為履帶板寬，取600 mm。

則：Ea=0.093 MPa。

2.2.4極限坡度運(yùn)行時所需驅(qū)動力[8-9]

Fd=G(sinα+fcosα)

(5)

式中：Fd為運(yùn)移平臺爬坡行駛時所需的驅(qū)動力,N；α為坡度角，近海一般極限坡度角約為15°；f為滾動阻力系數(shù)，取值0.1；G為整機(jī)重力，取滿載狀態(tài)320 kN。

Fd=111.5 kN，符合最大驅(qū)動力范圍。

2.2.5發(fā)動機(jī)匹配

根據(jù)GB/T 1147.1—2007進(jìn)行計算。

履帶式游艇運(yùn)移平臺配套用R6105IZLD型柴油機(jī)，標(biāo)定功率為132 kW，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。最高設(shè)計車速vmax=1.67 m/s，所需功率為

(6)

根據(jù)柴油機(jī)全負(fù)荷速度特性，最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的低速檔行車速度va=0.89m/s。選用va=0.89 m/s，最大爬坡度為15°時，所需功率為

(7)

式中：Pf為滾動阻力消耗的功率；Pw為空氣阻力消耗的功率；Pi為坡度阻力消耗的功率；η為傳動效率系數(shù)，取0.82；Cd為空氣阻力系數(shù)，取值0.9；ρ為空氣密度，取1.29kg/m3m3；A為拖拉機(jī)前進(jìn)方向迎風(fēng)面積，取8 m2；va為拖拉機(jī)取低擋速度，取值4 km/h；imax為最大爬坡坡度，取tan15°。

經(jīng)計算，履帶式游艇運(yùn)移平臺滿載時以最高時速行駛所需功率和低檔速度爬15°坡時，所需功率為34.06 kW和122.54 kW，均小于R6105IZLD柴油機(jī)的標(biāo)定功率132 kW，并有一定功率儲備，故滿足設(shè)計要求。

2.2.6犧牲陽極質(zhì)量計算

為防止鋼質(zhì)運(yùn)移平臺被海水腐蝕，采用犧牲陽極防腐方法，參考《海洋平臺建造說明書》對犧牲陽極的建造規(guī)定，根據(jù)犧牲陽極的理論公式[10]計算所需陽極總質(zhì)量為

Q=ISH/η1K

(8)

式中：Q為設(shè)計所需陽極總質(zhì)量，kg；I為設(shè)計的保護(hù)電流密度，A/m2；S為所需保護(hù)的面積，m2；H為設(shè)計所需保護(hù)時間，h；η1為陽極電流效率；K為所選犧牲陽極的理論發(fā)電量，(A·h)/g。

初始設(shè)定防腐設(shè)計期限為8年。以運(yùn)移平臺水線下面積25 m2，設(shè)計保護(hù)電路密度15 mA/m2，鋅塊理論發(fā)電量2(A·h)/g，鋅塊電流效率為0.85來計算，求出理論所需要的陽極的總質(zhì)量為15.46 kg。以每塊質(zhì)量1.3 kg計算，共需12塊。

3 樣機(jī)試制與試驗(yàn)

完成運(yùn)移平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化后，試制樣機(jī)如圖5所示。為驗(yàn)證整機(jī)可靠性與操作性，在青島金沙灘試驗(yàn)場進(jìn)行淺海試驗(yàn)。陸上試驗(yàn)場地表土壤為細(xì)密沙土，隨著下海深入，變?yōu)檩^為平整的巖礁。對樣機(jī)進(jìn)行滿載與空載運(yùn)行測試，測試結(jié)果表明，整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能按預(yù)期作業(yè)起升快艇、高效轉(zhuǎn)移人員物資，達(dá)到設(shè)計要求。

圖5 樣機(jī)

4 結(jié)語

針對海洋工程領(lǐng)域快艇、人員和物資高效轉(zhuǎn)移的問題，基于TRIZ創(chuàng)新設(shè)計理論，設(shè)計了一種履帶式近?？焱н\(yùn)移平臺。為高效安全實(shí)現(xiàn)快艇與平臺對接，設(shè)計中采用履帶行走方式，實(shí)現(xiàn)平臺入海功能。采用起升快艇的方式達(dá)到人員物資轉(zhuǎn)移的目的，并對整機(jī)故障情況進(jìn)行了應(yīng)急方案設(shè)計。試驗(yàn)證明整機(jī)機(jī)動性能好，運(yùn)行平穩(wěn)，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可以滿足近海人員物資的高效安全轉(zhuǎn)移。

[1] 陳智. 海洋工程飽和潛水高壓救生艇設(shè)計研究[D]. 上海：上海交通大學(xué),2015.

[2] 郝瑞. 新型快艇實(shí)施海上多目標(biāo)搜救的優(yōu)化模型[J]. 火力與指揮控制,2013,38(11)：81-83.

[3] 郭慶賀,坎雜,李景彬. TRIZ理論在自走式肉羊飼喂機(jī)零部件便捷拆卸設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造,2016(4)：224-227.

[4] Borgianni Y, Matt D T. Applications of TRIZ and axiomatic design： a comparison to deduce best practices in industry[J]. Procedia CIRP, 2016( 39)： 91-96.

[5] Kamarudin K M, Ridgway K, Hassan M R. Modelling the conceptual design process with hybridization of TRIZ methodology and systematic design approach[J]. Procedia Engineering, 2015(131)： 1064-1072.

[6] 楊雪榮,孟歡,姚麗娟,等. 基于TRIZ理論的軌檢小車機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計[J]. 包裝工程,2016,37(14)：16-20.

[7] 陳思源,彭偉,姚春燕. 基于TRIZ理論的新型線鋸纏繞設(shè)備創(chuàng)新設(shè)計[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造,2013( 1)：4-6.

[8] 任長清. 履帶式林間剩余物運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計[J]. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2014,42(3)：18-20.

[9] 黃濤,張豫南,田鵬. 一種履帶式全方位移動平臺的設(shè)計與運(yùn)動學(xué)分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報,2014,50(21)：206-212.

[10] 王義.淺析海洋平臺腐蝕與防護(hù)[J]. 全面腐蝕控制,2013,27(3)：8-10.