輪軌接觸式傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 在船舶牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

劉金華 潘志翔 周宏基 陳文博

摘 要：船舶在隧洞中通航時(shí)危險(xiǎn)系數(shù)較大，因此采用軌道牽引車牽引船舶通過(guò)隧洞。該牽引系統(tǒng)中輪軌結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中易出現(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，使被牽引船舶航速及位置無(wú)法精確控制，導(dǎo)致出現(xiàn)安全事故，因此本文通過(guò)模擬牽引車運(yùn)行情況，對(duì)比設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速與牽引車運(yùn)行速度之間關(guān)系，論證船舶牽引系統(tǒng)速度和加速性能，為實(shí)際通航隧洞牽引系統(tǒng)建設(shè)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：船舶牽引系統(tǒng);輪軌接觸式傳動(dòng)機(jī)構(gòu);通航隧洞;Adams仿真分析

中圖分類號(hào)：U664.2? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）12-0089-03

烏江地形地質(zhì)條件復(fù)雜，烏江航道1000t級(jí)運(yùn)輸船標(biāo)準(zhǔn)船型體態(tài)較大，又由于長(zhǎng)距離隧洞內(nèi)光線暗、船-岸富余距離較小，對(duì)航行穩(wěn)定性有較高要求，因此船舶采用一種隧洞牽引系統(tǒng)來(lái)通過(guò)。這種應(yīng)用于隧洞中牽引系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)應(yīng)用于船塢中引船系統(tǒng)改進(jìn)而來(lái)[1]，國(guó)內(nèi)齊俊麟論證這種引船技術(shù)在三峽船閘應(yīng)用前景[2]。應(yīng)用于通航隧洞中牽引系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，設(shè)置在航道兩側(cè)軌道上運(yùn)行牽引車隨船前進(jìn)，為船舶提供牽引力與橫向拉力。

其中，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為牽引系統(tǒng)中重要組成部分，承載船舶橫向牽引力以及前進(jìn)動(dòng)力，關(guān)系到船舶能否在隧洞中安全通航。船舶牽引系統(tǒng)中輪軌接觸式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類似于輪軌式鐵路列車，列車在高速輪軌運(yùn)動(dòng)時(shí)由于地面不平整以及受力不均勻，會(huì)出現(xiàn)車輪騰空瞬間脫離軌道導(dǎo)致車輪空轉(zhuǎn)[3]。對(duì)于牽引系統(tǒng)中輪軌結(jié)構(gòu)，不僅受到向下壓力，還會(huì)受到較大側(cè)向拉力，可能會(huì)發(fā)生車輪空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，使被牽引船舶航速及位置無(wú)法精確控制，導(dǎo)致出現(xiàn)安全事故。因此，本文通過(guò)探究輪軌接觸式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)下，船舶能否與牽引車同步運(yùn)行，進(jìn)而探究牽引系統(tǒng)速度以及加速性能，并以此為實(shí)際通航隧洞牽引系統(tǒng)建設(shè)提供理論依據(jù)。

1船舶牽引系統(tǒng)及其輪軌結(jié)構(gòu)

牽引繩從隧洞入口開(kāi)始系攬進(jìn)入隧洞，前兩組牽引小車提供航向驅(qū)動(dòng)力，后兩組牽引小車提供定位作用力和制動(dòng)力。四組車相對(duì)位置提供纜繩內(nèi)部預(yù)緊力，固定船舶航道內(nèi)位置，牽引車運(yùn)行于航道兩側(cè)軌道，該方案運(yùn)行方式如圖1所示。

牽引系統(tǒng)輪軌結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中左圖側(cè)向限位滾輪、上側(cè)限位小輪以及牽引車行駛輪組成定位滾輪結(jié)構(gòu)（右圖），應(yīng)用于船舶牽引系統(tǒng)中輪軌結(jié)構(gòu)采用固定于地面槽型導(dǎo)軌以及牽引車滾輪組成定位導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，以此避免牽引車受到鋼絲繩側(cè)向拉力出現(xiàn)空轉(zhuǎn)及側(cè)翻可能。為驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)實(shí)用性，下文通過(guò)仿真模擬牽引車在軌道上受側(cè)向拉力時(shí)運(yùn)行情況。

2船模運(yùn)行速度運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

尾部鋼絲繩主要作用是調(diào)整小車偏轉(zhuǎn)位置，起定位作用，牽引力大小視所需穩(wěn)定程度與船舶慣性力而定，此處以提供牽引力前部牽引車為例，給定鋼絲繩側(cè)向拉力恒定1KN。

建立牽引系統(tǒng)三維模型，確定模型中柔性連接處以及船體接觸庫(kù)倫摩擦代換等效參數(shù)，將模型連接處進(jìn)行布爾操作，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電機(jī)等關(guān)鍵部位進(jìn)行ADAMS仿真軟件內(nèi)參數(shù)化建模并給予替換。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)需求和環(huán)境要求，從STARCCM+中算出轉(zhuǎn)化為ADAMS相關(guān)等效參數(shù)進(jìn)行模擬分析。經(jīng)過(guò)相關(guān)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)副設(shè)定，在建模過(guò)程中對(duì)除計(jì)算域外對(duì)結(jié)構(gòu)做出簡(jiǎn)化，進(jìn)行牽引系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

圖4實(shí)線表示z軸負(fù)方向船模位移曲線，為和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)單位一致，設(shè)z軸負(fù)方向?yàn)檫\(yùn)行方向，紅色實(shí)線為速度為0.224m/s時(shí)位移曲線，藍(lán)色實(shí)線為其速度曲線。黑色虛線為速度為0.313m/s時(shí)位移曲線，玫紅色虛線為其速度曲線。曲線可以看出是連貫柔和，表明不同速度下齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行可靠，同時(shí)與設(shè)定牽引車驅(qū)動(dòng)達(dá)到同步狀態(tài)。

圖5表示不同加速時(shí)間位移和速度曲線，實(shí)線為加速時(shí)間6s速度和位移曲線，繪制曲線，導(dǎo)出數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合對(duì)比。

3 加速性能測(cè)試

根據(jù)實(shí)際通航隧洞環(huán)境以及通航建筑物之間連接渠道和渡槽等特殊限制性航道特征，船舶在長(zhǎng)距離封閉水域條件下運(yùn)行時(shí)，航速應(yīng)低于2m/s，結(jié)合相應(yīng)船舶寬度、吃水與航道尺度關(guān)聯(lián)性模型[4]，對(duì)長(zhǎng)距離通航隧洞牽引系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件為0.8m航寬，0.25m水深，0.335m/s，0.313m/s，0.219m/s三種速度橫向偏移量，探究船舶在運(yùn)動(dòng)中受到?jīng)_擊力時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過(guò)等比例縮小船舶與牽引系統(tǒng)，按照相似準(zhǔn)則[5]構(gòu)建與實(shí)際相符合船體結(jié)構(gòu)、隧洞通航環(huán)境與牽引系統(tǒng)。測(cè)試對(duì)象是牽引船模，通過(guò)對(duì)船模數(shù)據(jù)采集反映牽引系統(tǒng)各種性能。

以0.7米航寬、0.25m水深、最終速度0.313m/s、加速實(shí)時(shí)間9s為例，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)行方向繪制位移時(shí)間圖，并對(duì)加速段進(jìn)行多項(xiàng)式擬合和線性擬合，擬合圖如8，擬合報(bào)表如表2。

同樣運(yùn)行條件下，對(duì)仿真過(guò)程中運(yùn)行方向繪制位移時(shí)間圖，并將后處理數(shù)據(jù)導(dǎo)出繪制擬合圖，對(duì)加速段進(jìn)行多項(xiàng)式擬合和線性擬合，擬合圖如圖10，擬合報(bào)表如表3。

由擬合報(bào)表2和表3可知，雖然記錄起點(diǎn)由于設(shè)備和仿真設(shè)定不同不具有參考價(jià)值，但斜率值基本一致，即設(shè)定速度0.313m/s時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中速度為-0.31484m/s，誤差為0.588%;仿真速度為-0.313164m/s， 誤差為0.052%。

由擬合報(bào)表對(duì)加速度段做二次項(xiàng)擬合 ，B2值*2為加速度值，理論設(shè)定值為-3.4778 E-2m/s2，實(shí)驗(yàn)值為-3.1457E-2m/s2，誤差為9.55%;仿真值為-3.457E-2m/s2，誤差為0.598%。

除實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中加速過(guò)程加速度誤差較大外，其他數(shù)據(jù)基本與設(shè)計(jì)一致，主要為加速段起始位置有初速度造成，即由于監(jiān)測(cè)距離限制，數(shù)據(jù)擬合過(guò)程中無(wú)法得到完整方程。

加速與恒速性能測(cè)試中，通過(guò)擬合方程對(duì)仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在統(tǒng)計(jì)學(xué)中對(duì)變量進(jìn)行線性回歸分析，采用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)時(shí)，R平方為回歸平方和與總離差平方和比值。R平方介于0到1之間，越接近1回歸擬合效果越好，一般認(rèn)為超過(guò)0.8模型擬合優(yōu)度就比較高。本文在仿真模型和數(shù)據(jù)值方面R平方值均為0.9以上，擬合效果很好時(shí)，比對(duì)位移時(shí)間曲線斜率，誤差1%之內(nèi)。

4結(jié)論

加速性能測(cè)試印證得，可通過(guò)根據(jù)改變伺服電機(jī)脈沖頻率來(lái)有效控制牽引車和被牽引船模速度和加速度，實(shí)現(xiàn)船模位置精確定位。通過(guò)擬合方程對(duì)仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，表明輪軌機(jī)構(gòu)運(yùn)行較穩(wěn)定，不易發(fā)生空轉(zhuǎn)，電機(jī)控制較佳，驗(yàn)證出牽引系統(tǒng)具有較好加速與恒速性能。

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