潛水器輸轉(zhuǎn)系統(tǒng)軌道車(chē)設(shè)計(jì)與框架結(jié)構(gòu)分析

（南京中船綠洲機(jī)器有限公司，南京 211161）

鄭加洲，朱曉俊，張曉群

0 引言

本文來(lái)源于國(guó)家重點(diǎn)科研項(xiàng)目11 000 m載人潛水器水面支持保障系統(tǒng)研制的子課題輸轉(zhuǎn)系統(tǒng)的研究。鑒于母船甲板空間有限，艉甲板停放2臺(tái)運(yùn)移軌道車(chē)，工作時(shí)要求軌道車(chē)能滿(mǎn)足工作海況下進(jìn)行載人潛水器的轉(zhuǎn)運(yùn)和系固要求。為達(dá)到上述目標(biāo)，項(xiàng)目要求對(duì)輸轉(zhuǎn)系統(tǒng)中軌道車(chē)自鎖、抗搖防傾和外形尺寸等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

輸轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作海況惡劣，承受負(fù)載大，且布置空間狹小，因此，本文的研究重點(diǎn)是解決軌道車(chē)框架承載問(wèn)題、可靠安全的自鎖和抗搖防傾設(shè)計(jì)。軌道車(chē)主體主要由各種槽鋼、鋼板等焊接而成，框架復(fù)雜，在工作狀況下的強(qiáng)度校核難以通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行，因此有必要建立軌道車(chē)的結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)力學(xué)分析計(jì)算，掌握軌道車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，利用有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，掌握其應(yīng)力分布情況，對(duì)軌道車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理，設(shè)計(jì)可靠的自鎖裝置和抗搖防傾裝置。

1 軌道車(chē)設(shè)計(jì)

1.1 軌道車(chē)主要技術(shù)要求

軌道車(chē)應(yīng)滿(mǎn)足工作海況下進(jìn)行載人潛水器的轉(zhuǎn)運(yùn)和系固要求。該系統(tǒng)具有軌道車(chē)在軌道任一位置自鎖、抗搖防傾等功能，保證潛水器在存放區(qū)域和收放區(qū)域進(jìn)行安全轉(zhuǎn)運(yùn)。

軌道車(chē)的技術(shù)目標(biāo)即滿(mǎn)足工作5級(jí)風(fēng)。在3.6 m的有義波高海況下安全工作負(fù)荷為25 t，運(yùn)行速度為0～5 m/min。

2.2 軌道車(chē)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軌道車(chē)的外形尺寸為6 200 mm×3 600 mm×1 300 mm，軸距2 800 mm，總重量6 000 kg。車(chē)體為框架結(jié)構(gòu)，單個(gè)梁高度260 mm。所有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均安裝在車(chē)體內(nèi)部和下部，車(chē)體上表面除導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、頂桿裝置和系固吊耳外，其余為平整面板，主要材料為船用鋼板，屈服強(qiáng)度為355 MPa。

2.3 防傾覆和緩沖防撞機(jī)構(gòu)

在軌道車(chē)兩側(cè)安裝防傾鉤，采用墊片調(diào)整防傾鉤與軌道之間的距離，防止由于船舶垂蕩運(yùn)動(dòng)造成軌道車(chē)跳動(dòng)，每側(cè)各4件。

緩沖防撞裝置主要軌道兩端的物理限位，控制軌道車(chē)行駛的范圍，在接觸式限位失靈的情況下，防止軌道車(chē)駛出軌道。橡膠緩沖器具有最大的緩沖力，安裝在車(chē)體前后兩端，各2件，起到緩沖的作用。

2.4 軌道車(chē)系固

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)規(guī)范（2018）》附錄B進(jìn)行船舶航行中系固力計(jì)算[1]。系固計(jì)算數(shù)據(jù)作為軌道及軌道車(chē)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，系固點(diǎn)軌道安裝螺栓和齒條安裝螺栓的數(shù)據(jù)輸入。軌道車(chē)和軌道系固過(guò)程中，軌道車(chē)對(duì)稱(chēng)布置4個(gè)系固點(diǎn)，每個(gè)系固點(diǎn)拉1根鋼絲繩系固。軌道車(chē)系固連接方式為：軌道車(chē)吊耳—卸扣—鋼絲繩壓制索具—螺旋扣—卸扣—甲板吊耳。

軌道車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 軌道車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖

3 工況分析

根據(jù)使用海況，輸轉(zhuǎn)系統(tǒng)軌道車(chē)在正常工況下工作時(shí)，潛水器整個(gè)重量靠4個(gè)地腳作用于軌道車(chē)，當(dāng)在風(fēng)載、波浪和母船傾斜的作用下，可能出現(xiàn)前2個(gè)地腳承載、后2個(gè)地腳承載和側(cè)面2個(gè)地腳承載的情況。工況如下：

1）工況1。正常工況，4個(gè)地腳作用于軌道車(chē)承載。

2）工況2。風(fēng)載和波浪作用下母船傾斜，前2個(gè)地腳作用于軌道車(chē)承載。

3）工況3。風(fēng)載和波浪作用下母船傾斜，后2個(gè)地腳作用于軌道車(chē)承載。

4）工況4。風(fēng)載和波浪作用下母船傾斜，側(cè)面2個(gè)地腳作用于軌道車(chē)承載。

4 軌道車(chē)框架結(jié)構(gòu)分析

4.1 創(chuàng)建模型及簡(jiǎn)化

在保證不影響計(jì)算精度的前提下使計(jì)算更簡(jiǎn)化省時(shí)，有必要在創(chuàng)建模型之前考慮到模型的簡(jiǎn)化，如忽略不重要的開(kāi)孔、填平焊縫、簡(jiǎn)化螺紋孔和去除不影響分析的零件特征等。本文采用專(zhuān)業(yè)三維設(shè)計(jì)軟件CREO創(chuàng)建軌道車(chē)的框架模型，并在創(chuàng)建模型的過(guò)程中直接對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，完成后導(dǎo)入有限元分析軟件中生成有限元模型。

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的有限元模型如圖2所示。

圖2 軌道車(chē)框架有限元簡(jiǎn)化模型圖

4.2 網(wǎng)格劃分

由于模型采用三維實(shí)體建模，選用的單元類(lèi)型為四面體單元，該單元是10節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，適合生成不規(guī)則網(wǎng)格模型。整體采取默認(rèn)自動(dòng)網(wǎng)格劃分。軌道車(chē)框架網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 軌道車(chē)框架網(wǎng)格劃分圖

4.3 邊界條件施加及載荷加載

在軌道車(chē)底部4個(gè)滾輪軸的位置設(shè)定約束：軸線方向旋轉(zhuǎn)自由度放開(kāi)，其他自由度約束。

重力載荷可以在軟件中通過(guò)直接加載實(shí)現(xiàn)；潛水器對(duì)軌道車(chē)的作用力主要通過(guò)加在軌道車(chē)地腳上遠(yuǎn)程力實(shí)現(xiàn)。

工況1～工況4的約束及載荷加載分別如圖4～圖7所示。

4.4 計(jì)算結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，工況1～工況4軌道車(chē)框架等效應(yīng)力云圖分別如圖8～圖11所示。

圖4 工況1軌道車(chē)框架約束和加載圖

圖5 工況2 軌道車(chē)框架約束和加載圖

圖6 工況3軌道車(chē)框架約束和加載圖

圖7 工況4 軌道車(chē)框架約束和加載圖

圖8 工況1軌道車(chē)框架等效應(yīng)力云圖

圖9 工況2 軌道車(chē)框架等效應(yīng)力云圖

圖10 工況3軌道車(chē)框架等效應(yīng)力云圖

圖11 工況4 軌道車(chē)框架等效應(yīng)力云圖

由圖8～圖11可知，在正常工況下，即工況1軌道車(chē)框架的整體等效應(yīng)力水平較低，最大在中間橫梁位置，數(shù)值為50.416 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度355 MPa，滿(mǎn)足安全設(shè)計(jì)要求，參考起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[2]。

當(dāng)受到風(fēng)載和波浪的影響時(shí)，出現(xiàn)潛水器只承載于前2個(gè)地腳或后2個(gè)地腳，即工況2或工況3的情況下，由于承載位置減少，軌道車(chē)框架等效應(yīng)力水平急劇升高，最大應(yīng)力主要在前部中間橫梁位置底部或后部中間橫梁位置底部，這2種工況較工況3有最大值，為211.83 MPa，由于該狀態(tài)為偶爾發(fā)生且不是持續(xù)的，安全系數(shù)約為1.7，因此是安全的[3]。

工況4中的潛水器有可能作用于某一側(cè)的2個(gè)地腳，由圖11可知：等效應(yīng)力最大區(qū)域?yàn)橹虚g橫梁位置，偏于承載一側(cè)，最大值介于工況1和工況2、工況3之間，最大值為139.47 MPa，同樣滿(mǎn)足安全設(shè)計(jì)要求。

因此，對(duì)于軌道車(chē)框架而言，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

本文介紹了在惡劣海況下以及有限的母船空間下，設(shè)計(jì)潛水器輸轉(zhuǎn)系統(tǒng)軌道車(chē)通過(guò)對(duì)標(biāo)國(guó)外設(shè)備，使用三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用有限元軟件進(jìn)行強(qiáng)度校核和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得合理的軌道車(chē)框架結(jié)構(gòu)，保證了設(shè)計(jì)的安全可靠。在后續(xù)的試驗(yàn)中滿(mǎn)足起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范和船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范的要求，得到了中國(guó)船級(jí)社（CCS）的認(rèn)可，并通過(guò)了實(shí)船驗(yàn)證和海試試驗(yàn)，取得了各方面的一致好評(píng)。

潛水器輸轉(zhuǎn)系統(tǒng)軌道車(chē)的成功研制使部分配套設(shè)備領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破，提升國(guó)產(chǎn)船舶配套設(shè)備的技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，從而帶動(dòng)國(guó)內(nèi)船舶配套設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，最終提高國(guó)產(chǎn)設(shè)備的市場(chǎng)占有率和裝船率。