，，

(上海交通大學(xué) 前船舶與海洋工程學(xué)院，上海 200030)

近年來，國(guó)內(nèi)疏浚業(yè)發(fā)展快，對(duì)疏浚工程設(shè)備提出了新要求，但我國(guó)疏浚設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程實(shí)際的需要，新型裝備的研究和制造已經(jīng)迫在眉睫[1-2]。對(duì)于鋼樁臺(tái)車的自主設(shè)計(jì)和建造，國(guó)內(nèi)還基本屬于空白，尤其是臺(tái)車作為精度高的定位系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)就要保證其結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)性能。

結(jié)合天津航道局3 000 m3/h絞吸式挖泥船的設(shè)計(jì)建造工作，對(duì)絞吸式挖泥船的鋼樁臺(tái)車進(jìn)行三維建模，建立空間幾何模型，為臺(tái)車的自主制造進(jìn)行基礎(chǔ)研究。

1 三維模型的建立

鋼樁臺(tái)車是絞吸式挖泥船的重要組成部分，工作時(shí)船體以主定位樁或輔定位樁為旋轉(zhuǎn)中心，依靠左、右橫移絞車牽引兩側(cè)的擺動(dòng)纜，使絞刀頭左右擺動(dòng)。當(dāng)自上而下分層切削完成后，絞刀頭就要前移一段距離，這種前移需要兩根鋼樁交替起落并配合船體的擺動(dòng)才能完成[3]。具體的過程為：當(dāng)絞刀頭需要前移一次時(shí)，首先落下輔樁，然后提起主樁，主樁依靠油缸的拉動(dòng)前移，到行程最大點(diǎn)，主樁落下，輔樁提起，挖泥工作開始，絞刀頭的切削前進(jìn)借助主樁油缸的推力完成，可獲得理想的開挖面。當(dāng)主樁移動(dòng)到接近船體的最小位置點(diǎn)后，落下輔樁，提起主樁，至此完成一次換樁過程。挖泥船的工作過程中不斷重復(fù)上述過程，主樁及移動(dòng)裝置一般稱為鋼樁臺(tái)車，除去移動(dòng)裝置以外，輔樁與主樁基本相同。

ADAMS是著名的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，通常用于多剛體分析和柔性體分析，廣泛應(yīng)用于汽車、航空、電子、鐵道等工業(yè)領(lǐng)域中。它提供虛擬樣機(jī)平臺(tái)，利用計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件在任意時(shí)刻的位置、速度和加速度，同時(shí)，通過求解代數(shù)方程組確定引起系統(tǒng)及其各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)所需的作用力及其反作用力。

建立某3 000 m3大型絞吸式挖泥船的鋼樁臺(tái)車三維模型，見圖1。鋼樁臺(tái)車一般由軌道、鋼樁、鋼樁拖架、液壓油缸和臺(tái)車主體結(jié)構(gòu)等主要部分組成。鋼樁系統(tǒng)還包括夾具、定位樁鋼索(司令繩)系統(tǒng)[4]等部件，這些小部件在建模中為簡(jiǎn)化，只計(jì)入重量，沒有建立幾何形狀。

使用ADAMS/View[5]建立一個(gè)鋼樁臺(tái)車機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，并建立運(yùn)動(dòng)部件、用約束將它們連接、通過裝配成為系統(tǒng)、利用外力或運(yùn)動(dòng)將他們驅(qū)動(dòng)。

圖1 臺(tái)車三維模型

2 運(yùn)動(dòng)仿真

前面提及鋼樁臺(tái)車是一個(gè)經(jīng)常運(yùn)動(dòng)的部件，其運(yùn)動(dòng)主要包括鋼樁傾倒及其逆過程、臺(tái)車行走運(yùn)動(dòng)以及鋼樁提升和下降。下面主要討論前兩種情況。

2.1 臺(tái)車的倒樁過程運(yùn)動(dòng)模擬

鋼樁臺(tái)車的機(jī)械運(yùn)動(dòng)較為頻繁，直接影響絞吸式挖泥船的工作效率。由于定位鋼樁直接插入泥中，所以其長(zhǎng)度比較大，若挖泥船的工作水深為25 m時(shí)鋼樁的長(zhǎng)度可達(dá)40 m，所以鋼樁臺(tái)車在拖航狀態(tài)時(shí)需要傾倒定位鋼樁成水平放置，便于航行。而在工作時(shí)則需要將鋼樁豎直，這個(gè)過程稱為倒樁。

鋼樁運(yùn)動(dòng)過程中鋼樁托架與臺(tái)車主體之間相對(duì)旋轉(zhuǎn)，鋼樁托架與油缸活塞桿之間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，活塞缸套與油缸支架之間相對(duì)旋轉(zhuǎn)，油缸活塞桿與活塞缸套之間相對(duì)移動(dòng)。仿真的難點(diǎn)主要有：三組相對(duì)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)；關(guān)鍵連接點(diǎn)處的受力分析；校核油缸推力是否足夠。

建立整個(gè)倒樁運(yùn)動(dòng)的連接點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)副，描述三組相對(duì)運(yùn)動(dòng)，見圖2、3。

圖2 倒樁機(jī)構(gòu)原理

圖3 各連接點(diǎn)位置

在托架與臺(tái)車主體(點(diǎn)1)、倒樁油缸與倒樁支架(點(diǎn)2)和倒樁油缸與托架(點(diǎn)3)以及之間采用了旋轉(zhuǎn)副連接，油缸在油缸套中以移動(dòng)副連接。

機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力為油缸的頂升作用力，鋼樁的重力已知，通常油缸以10 mm/s的速度移動(dòng)，考查各點(diǎn)的受力和運(yùn)動(dòng)情況。然后，確定所需油缸的技術(shù)參數(shù)，用于選擇合適的液壓油缸。

在分析時(shí)考慮兩種情況，一種是船體正浮，臺(tái)車基本保持水平；挖泥船一般在波浪中作業(yè)，所以另一種是考慮船體有2°縱傾時(shí)臺(tái)車進(jìn)行倒樁動(dòng)作。

1) 船體正浮，臺(tái)車保持水平。如圖4所示為鋼樁由水平放置轉(zhuǎn)動(dòng)成垂直放置的過程，傾倒油缸中的一只在2點(diǎn)(圖3)的受力隨鋼樁轉(zhuǎn)角變化的曲線。其中F為合力的大小，F(xiàn)x、Fy分別沿垂向及船長(zhǎng)方向所受分力的大小變化。由圖4可知，倒樁過程中油缸的推力在整個(gè)過程中方向會(huì)發(fā)生變化。起初鋼樁推力由最大值597 kN逐漸減小，F(xiàn)x在42°左右達(dá)到最大值。在77.32°時(shí)合力大小達(dá)到最小值，此時(shí)刻后推力反向，實(shí)際作用為拉住在重力作用下繼續(xù)向垂向運(yùn)動(dòng)的鋼樁。此時(shí)，F(xiàn)x和Fy均反向，合力逐漸增大。

圖4 正浮時(shí)單一油缸作用力隨傾倒角度變化

2) 船體縱傾2°。

船舶縱傾，倒轉(zhuǎn)鋼樁油缸的作用力與鋼樁傾斜角度的關(guān)系曲線見圖5。

圖5 縱傾時(shí)單一油缸作用力隨傾倒角度變

由前面的分析可知單一油缸的最大作用力為598.8 kN，推力和拉力轉(zhuǎn)換角度為79°?？v傾時(shí)，需要油缸的作用力增大很小，約0.3%。

2.2 臺(tái)車的行走運(yùn)動(dòng)仿真

行走是臺(tái)車最重要的功能之一。行走系統(tǒng)通過一個(gè)頂推油缸和臺(tái)車上的三組行走輪完成，行走輪不僅完成行走功能還承受臺(tái)車的整體重量。為了保證行走時(shí)的穩(wěn)定，在三組輪子附近還安裝有橫向?qū)蜉?。行走機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)以及頂推油缸的作用力大小根據(jù)必須整個(gè)臺(tái)車行走的情況來確定。分析中仍然考慮了兩種情況，一種是船體正浮，另一種是船體縱傾2°。鋼樁臺(tái)車行走裝置包括臺(tái)車主體與軌道接觸的6個(gè)行走輪以及4個(gè)水平限位輪。仿真建模的難點(diǎn)主要有：行走輪支撐整個(gè)臺(tái)車的重量，臺(tái)車重心與行走輪的中心位置需要校核準(zhǔn)確；輪與軌道之間有接觸，并存在摩擦作用。

借助ADAMS提供的強(qiáng)大三維模型功能，順利地實(shí)現(xiàn)了行走輪的中心位置的調(diào)整。同時(shí)ADAMS提供了接觸和摩擦的計(jì)算模型，接觸碰撞力的計(jì)算模型采用impact函數(shù)提供的非線性等效彈簧阻尼模型，其廣義形式可表示為：

式中：Fni——法向接觸力；

K——Hertz接觸剛度；

C——阻尼因子；

δi——接觸點(diǎn)法向穿透深度；

行走輪與軌道之間用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連，滑動(dòng)摩擦力計(jì)算模型采用庫(kù)侖模型，靜摩擦系數(shù)取0.5，動(dòng)摩擦系數(shù)取0.3。在仿真計(jì)算過程中，接觸力以及輪子與軌道的摩擦力都能實(shí)時(shí)地反映。驅(qū)動(dòng)力為油缸的力，初始條件為油缸的勻速以10 mm/s推進(jìn)。

2.2.1 船體正浮，臺(tái)車保持水平

由于輪子與軌道接觸時(shí)運(yùn)動(dòng)情況可能比較復(fù)雜，因?yàn)榧庸せ蛘邼?rùn)滑的原因，滾動(dòng)和滑動(dòng)情況都可能發(fā)生，故考慮滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦兩種情況并進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將油缸推力隨時(shí)間變化的曲線記錄見圖6。當(dāng)輪子與軌道是滑動(dòng)摩擦?xí)r，油缸的作用力為常量247 kN。當(dāng)輪子與軌道之間滾動(dòng)摩擦?xí)r，油缸的平均推力為210 kN。

圖6 頂推油缸作用力隨時(shí)間變

2.2.2 船體縱傾2°

如圖7所示，船舶縱傾時(shí)計(jì)算得到油缸的推力在輪子滑動(dòng)時(shí)和滾動(dòng)時(shí)的油缸推力非常接近，輪子滑動(dòng)和滑動(dòng)時(shí)油缸推力分別為推力339 kN和平均推力363 kN。

圖7 頂推油缸作用力隨時(shí)間變

綜合以上分析，正浮時(shí)輪子滑動(dòng)比滾動(dòng)需要油缸多增加約15%的推力，縱傾時(shí)輪子滑動(dòng)和滾動(dòng)比正浮狀態(tài)需油缸分別增加38%和32%的推力，在設(shè)計(jì)油缸時(shí)要考慮這一情況；無(wú)論是滑動(dòng)摩擦還是滾動(dòng)摩擦，縱傾后油缸的推力增加較大，船體縱傾對(duì)臺(tái)車行走運(yùn)動(dòng)影響較大。

3 結(jié)論

船舶進(jìn)行鋼樁由水平傾倒作業(yè)時(shí)，油缸作用力有由推力向拉力的轉(zhuǎn)變，所對(duì)應(yīng)的鋼樁傾角和鋼樁推力隨著船的縱傾角度增加而增大。正浮狀態(tài)和縱傾狀態(tài)倒樁油缸的推力和拉力的臨界角點(diǎn)分別為77.2°和79°?？v傾2°對(duì)油缸作用力的影響不大，取600 kN較為適宜。

在船舶正浮時(shí)，行走輪子與軌道之間的滑動(dòng)摩擦比滾動(dòng)摩擦需要油缸提供更大的推力，應(yīng)當(dāng)盡量使輪子滾動(dòng)。行走時(shí)需要油缸提供的作用力在210～247 kN之間。

船舶有縱傾時(shí)，行走頂推油缸的推力增大最大可達(dá)約38%，在設(shè)計(jì)時(shí)不可被忽略，此時(shí)輪子滑動(dòng)或滾動(dòng)對(duì)油缸推力的要求差別很小。

使用本臺(tái)車方案的絞吸式挖泥船已經(jīng)建造完成，施工過程中臺(tái)車系統(tǒng)運(yùn)行良好。

[1] 詹 斌.國(guó)外疏浚企業(yè)對(duì)我國(guó)疏浚市場(chǎng)的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：信息與管理工程版，2005(1):206-207.

[2] 陳 杰.工程船舶的回顧與發(fā)展[J].江蘇船舶，2003(6):3-8.

[3] 倪文華.挖泥船臺(tái)車移位系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].船舶，2002(4):56-58.

[4] 米中彪.“津航浚217”輪鋼樁臺(tái)車使用中的幾個(gè)問題[J].天津航海，2003(2):22-23.

[5] 李 軍，邢俊文.ADAMS實(shí)例教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.