海洋科考儲(chǔ)纜絞車設(shè)計(jì)及分析

謝威，吳坤陽，劉全良

（浙江海洋大學(xué) 海洋裝備工程學(xué)院，浙江 舟山 316000）

0 引言

隨陸地資源的逐漸枯竭，人類對(duì)能源的需求量越來越大，海洋資源的開發(fā)利用逐漸成為了世界各國(guó)新技術(shù)革命的重要領(lǐng)域[1]。海洋科考船是進(jìn)行海洋資源勘查研究的重要平臺(tái)和必要工具，是海洋科研能力建設(shè)的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于海洋科學(xué)考查、應(yīng)用技術(shù)研究及測(cè)量勘探等工作[2-3]。海洋絞車是海洋科考船上至關(guān)重要的設(shè)備，主要完成科考設(shè)備的下放和回收工作?；趪?guó)內(nèi)對(duì)科考船絞車設(shè)備需求量高，但自動(dòng)化程度低、技術(shù)生產(chǎn)不成熟、關(guān)鍵技術(shù)多是引進(jìn)于國(guó)外的現(xiàn)狀，對(duì)海洋絞車的研發(fā)是至關(guān)重要且非常有意義的，同時(shí)利于國(guó)內(nèi)海洋強(qiáng)國(guó)計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)。

通過查閱中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]海洋絞車相關(guān)技術(shù)參數(shù)，分析海洋絞車的性能要求，確定絞車的總體設(shè)計(jì)方案；計(jì)算絞車儲(chǔ)纜卷筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)、電動(dòng)機(jī)選型、三維建模；最后利用ANSYS Workbench對(duì)儲(chǔ)纜絞車進(jìn)行模態(tài)分析，依據(jù)分析結(jié)果對(duì)卷筒的動(dòng)態(tài)特性提出建議，以提高卷筒的動(dòng)靜態(tài)剛度。

1 絞車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 絞車設(shè)計(jì)影響因素

海洋絞車作業(yè)時(shí)所處的海洋環(huán)境相對(duì)惡劣，纜繩的有序收放、卷筒速度的調(diào)控是有一定難度的，故設(shè)計(jì)的海洋絞車需具備如下特征及功能：

1）減張力功能。海洋絞車作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，科考母船在波浪等因素的影響下會(huì)發(fā)生升沉縱搖等運(yùn)動(dòng)，纜繩受到張力變化影響易發(fā)生破損崩斷，故設(shè)計(jì)過程中需考慮纜繩張力的控制，避免纜繩因張力突變而受損。

2）精準(zhǔn)整齊排纜。海洋萬米絞車的纜繩長(zhǎng)度較長(zhǎng)可達(dá)萬米以上，故儲(chǔ)纜卷筒在多層纏繞的過程易錯(cuò)纜、跳纜[5]，為保證精確整齊的排纜，增設(shè)的排纜裝置是必不可少的。

3）絞車作業(yè)的穩(wěn)定性。為提高絞車收放負(fù)載作業(yè)的效率，設(shè)計(jì)過程中需考慮絞車卷筒運(yùn)轉(zhuǎn)速度、輸出力矩的調(diào)控，以及排纜系統(tǒng)與儲(chǔ)纜卷筒運(yùn)轉(zhuǎn)的同步性、及時(shí)性、精確性。

4）安全性、操作便利性。絞車需要在保證安全性的基礎(chǔ)上才能投入深海環(huán)境作業(yè)，設(shè)計(jì)過程中要充分考慮絞車的適用海況、機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1.2 絞車總體結(jié)構(gòu)

海洋絞車的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)深海設(shè)備的回收和下放，其主要結(jié)構(gòu)由儲(chǔ)纜絞車、牽引絞車、排纜系統(tǒng)、主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等部件組成，絞車系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 絞車總體構(gòu)成

綜合上述海洋萬米絞車的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及要求，絞車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。海洋絞車系統(tǒng)正常作業(yè)時(shí)，纜繩末端連接深?？瓶荚O(shè)備，電動(dòng)機(jī)組提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)纜絞車正反轉(zhuǎn)動(dòng)以收放水下科考設(shè)備?；厥赵O(shè)備時(shí)，纜繩經(jīng)過牽引絞車，通過與繩槽間的摩擦力吸收纜繩部分張力后進(jìn)入儲(chǔ)纜絞車排纜儲(chǔ)存。儲(chǔ)纜過程中，自動(dòng)排纜裝置配合儲(chǔ)纜絞車進(jìn)行定向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)緊密整齊的排纜效果，主動(dòng)補(bǔ)償裝置可以有效實(shí)現(xiàn)因海浪等因素導(dǎo)致科考母船產(chǎn)生的升沉位移補(bǔ)償。整個(gè)過程中張力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)纜繩張力的變化，將數(shù)據(jù)傳遞至控制箱后進(jìn)行精確的調(diào)控，保證海洋絞車作業(yè)的安全性。

圖2 絞車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2 儲(chǔ)纜絞車參數(shù)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)纜絞車是海洋絞車系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分，用以存儲(chǔ)大量的纜繩并為牽引絞車提供預(yù)張力，根據(jù)海洋絞車的技術(shù)參數(shù)要求（如表1）確定儲(chǔ)纜絞車結(jié)構(gòu)參數(shù)及電動(dòng)機(jī)型號(hào)。

表1 絞車技術(shù)參數(shù)

2.1 儲(chǔ)纜絞車滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)纜絞車卷筒直徑以及開檔長(zhǎng)度會(huì)直接影響其容繩量，同時(shí)也是絞車整體大小的關(guān)鍵[6]。

1）卷筒體直徑[7]計(jì)算公式為

式中：D為儲(chǔ)纜卷筒直徑，mm；d為纜繩直徑，mm。

所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)纜卷筒體直徑要滿足大于纜繩最小彎曲直徑的條件，因纜繩的直徑d=17.27 mm,其最小曲率直徑720 mm，為保證纜繩在儲(chǔ)纜卷筒上的纏繞層數(shù)盡可能少，故設(shè)計(jì)卷筒體的直徑D=950 mm。

2）卷筒體開檔長(zhǎng)度[7]計(jì)算公式為

式中：L為儲(chǔ)纜卷筒開檔長(zhǎng)度，mm；q為卷筒每層纏繞圈數(shù)。

儲(chǔ)纜卷筒體每層纏繞圈數(shù)q=94，纜繩直徑d=17.27 mm，確定卷筒體的開檔長(zhǎng)度為L(zhǎng)=1680 mm。

2.2 電動(dòng)機(jī)選型

鑒于交流變頻電動(dòng)機(jī)無極調(diào)速的特點(diǎn)，可以大大減小儲(chǔ)纜絞車的變速系統(tǒng)，簡(jiǎn)化絞車結(jié)構(gòu)，故采用交流變頻電動(dòng)機(jī)對(duì)儲(chǔ)纜絞車進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

依照設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)，儲(chǔ)纜絞車的容繩量是10 000 m,絞車的最大拉力為20 kN,收放速度為2 m/s，儲(chǔ)纜絞車輸出總功率為

式中：F為絞車額定拉力，kN；V為纜繩平均速度，m/min。

最終確定對(duì)儲(chǔ)纜絞車選用輸入總功率P=230 kW,輸出轉(zhuǎn)矩TM=376.8 N·m的交流變頻電動(dòng)機(jī)。

3 絞車卷筒模態(tài)分析

為了確保所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)纜絞車卷筒體的剛性，利用ANSYS Workbench對(duì)絞車卷筒體進(jìn)行有限元模態(tài)分析。

3.1 卷筒體三維建模

參照上節(jié)儲(chǔ)纜絞車的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用三維繪圖軟件SoildWorks草繪繪制、拉伸切除等功能對(duì)儲(chǔ)纜絞車零部件進(jìn)行三維建模，最終裝配成如圖3所示的儲(chǔ)纜絞車三維模型。

圖3 儲(chǔ)纜絞車三維模型

3.2 網(wǎng)格劃分

將繪制好的儲(chǔ)纜絞車模型導(dǎo)入ANSYS Workbench分析環(huán)境中，設(shè)置模型的材料、彈性模量E及泊松比μ。定義卷筒的材料為Q345，彈性模量E=2.06×106MPa，泊松比μ=0.3。采用四面體網(wǎng)格自行劃分，卷筒體網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 卷筒體模型網(wǎng)格劃分

經(jīng)分析計(jì)算后最終獲得卷筒體模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為57 727，單元數(shù)為29 823。

3.3 模態(tài)分析

對(duì)絞車卷筒的4個(gè)底座進(jìn)行固定約束Fix support，因?yàn)橥搀w只有旋轉(zhuǎn)自由度，故將卷筒體的切向約束設(shè)置為Free。在卷筒體筒體及支架部位施加負(fù)載Moment,求解卷筒體的筒體及支架的模態(tài)，最終獲得模型前6階固有頻率及振型狀況如表2所示。

表2 模型前6階固有頻率及振型

各階振型圖如圖5所示，分析可知儲(chǔ)纜絞車第一階的振型較低；第二階的振型是屬于整體性的，振型圖表明卷筒體自身的剛度較強(qiáng)，卷筒體的左右兩側(cè)出現(xiàn)了凸振；第三階的振型逐漸從整體轉(zhuǎn)為局部振型；儲(chǔ)纜絞車第四階至第六階振型都處于相對(duì)薄弱的狀態(tài)。通過分析可知儲(chǔ)纜絞車的固有頻率并不是很高。

通過對(duì)儲(chǔ)纜絞車振型圖的分析可知，儲(chǔ)纜卷筒體局部易發(fā)生振型，究其主要原因是卷筒體局部的剛度不夠，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剛度、結(jié)構(gòu)筋及壁厚不勻稱。由卷筒第三階振型圖可知，卷筒體兩側(cè)的擋板壁厚尤其不均勻，故需要對(duì)卷筒體兩側(cè)擋板的壁厚進(jìn)行加厚調(diào)整，從而增加卷筒體的剛度。

圖5 卷筒體各階振型

4 結(jié)論

本文通過分析海洋科考船絞車的需求和現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種適用于遠(yuǎn)洋作業(yè)的雙絞車結(jié)構(gòu)形式的萬米絞車。研究海洋絞車的功能要求和特點(diǎn)；設(shè)計(jì)絞車整體結(jié)構(gòu)的布局；確定絞車儲(chǔ)纜卷筒結(jié)構(gòu)參數(shù)；建立儲(chǔ)纜絞車三維模型；進(jìn)行儲(chǔ)纜絞車固有振動(dòng)模態(tài)分析，得出如下結(jié)論。

1）牽引與儲(chǔ)纜功能相互分離的雙絞車結(jié)構(gòu)形式的海洋絞車可以有效緩解纜繩張力，增加絞車作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性。

2）儲(chǔ)纜絞車卷筒體自身剛度較強(qiáng)，但是整體固有頻率不高、局部剛性較差，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剛度及壁厚不勻稱。

3）絞車儲(chǔ)纜卷筒體的最大變形出現(xiàn)在卷筒體兩側(cè)的擋板處，后續(xù)優(yōu)化可以通過增加壁厚以提高卷筒體剛性，增加絞車作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性。