蘇世杰　游有鵬　唐文獻(xiàn)　李存軍

1.南京航空航天大學(xué), 南京, 210016　　2.江蘇科技大學(xué), 鎮(zhèn)江,2120033. 舟山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院, 舟山, 316021

船舶應(yīng)急拖帶裝置強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的研制

蘇世杰1,2游有鵬1唐文獻(xiàn)2李存軍3

1.南京航空航天大學(xué), 南京, 2100162.江蘇科技大學(xué), 鎮(zhèn)江,2120033. 舟山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院, 舟山, 316021

摘要：設(shè)計(jì)了一種船舶應(yīng)急拖帶裝置強(qiáng)度試驗(yàn)方法。為簡(jiǎn)化試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)，提出將被試導(dǎo)纜孔及拖纜/防擦鏈整體旋轉(zhuǎn)30°以實(shí)現(xiàn)拉力平面與水平面的重合，并將強(qiáng)力點(diǎn)單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn)，給出了相應(yīng)的試驗(yàn)流程。按照設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法及應(yīng)急拖帶裝置型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)的要求，進(jìn)行了試驗(yàn)機(jī)總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)件-混凝土復(fù)合式機(jī)身設(shè)計(jì)、雙缸同步加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)、拖纜(鋼絲繩)夾持單元設(shè)計(jì)等工作，研制了由T形結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)及各種夾持單元組成的應(yīng)急拖帶裝置強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)。利用研制的試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)負(fù)荷為2MN的某型艉部應(yīng)急拖帶裝置的強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明了提出的應(yīng)急拖帶裝置強(qiáng)度試驗(yàn)方法可行，研制的試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)合理、可靠性好、試驗(yàn)精度高。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急拖帶裝置；強(qiáng)度試驗(yàn)；試驗(yàn)機(jī)；拖纜夾持單元

0引言

應(yīng)急拖帶裝置是一套安裝在船艏及船艉的快速拖帶裝置，其作用是當(dāng)船舶在發(fā)生意外或失去動(dòng)力時(shí)，能夠快速、方便地連接到拖輪，并由拖輪將失事船舶拖離現(xiàn)場(chǎng),從而減輕事故惡化的程度[1-3]。國(guó)際海事組織(IMO)通過(guò)的MSC.35(63)《關(guān)于油船應(yīng)急拖帶裝置的指南》決議案(簡(jiǎn)稱“決議”)、SOLAS《國(guó)際海上人命安全公約》96修正案均規(guī)定載重量不小于20 000t的液貨船，應(yīng)在其艏艉兩端布置應(yīng)急拖帶裝置[4-5]。

作為保障船舶航行安全的關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)急拖帶裝置不僅需要通過(guò)相關(guān)船級(jí)社的型式認(rèn)證，還應(yīng)在出廠前進(jìn)行整體強(qiáng)度試驗(yàn)，以確保產(chǎn)品合格。雖然國(guó)內(nèi)外一些公司成功研制了應(yīng)急拖帶裝置并通過(guò)了船級(jí)社的型式認(rèn)證[6-7]，但試驗(yàn)研究的相關(guān)報(bào)道比較少見(jiàn)，對(duì)于應(yīng)急拖帶裝置試驗(yàn)方法及專用試驗(yàn)機(jī)的研究還處于起步階段。

意大利POSIDONIA公司開(kāi)發(fā)了應(yīng)急拖帶裝置簡(jiǎn)易型式試驗(yàn)臺(tái)架，該臺(tái)架能夠?qū)崿F(xiàn)在極限拖帶角度下對(duì)應(yīng)急拖帶裝置主體進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，但不能對(duì)止鏈器、帶纜樁等部件進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)由于試驗(yàn)空間有限，也無(wú)法進(jìn)行應(yīng)急拖帶裝置的出廠試驗(yàn)。中國(guó)船舶工業(yè)物資華東有限公司編制了應(yīng)急拖帶裝置試驗(yàn)大綱，提出通過(guò)對(duì)拖纜、導(dǎo)纜孔等主要部件進(jìn)行單元強(qiáng)度試驗(yàn)的方式來(lái)等效驗(yàn)證應(yīng)急拖帶裝置強(qiáng)度。浙江大學(xué)研制了15MN錨鏈拉力試驗(yàn)機(jī)[8]，Ridge等[9]采用3MN拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)錨鏈進(jìn)行了拉-扭復(fù)合試驗(yàn)，Ridge等[10]采用3MN拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)系泊拖纜試樣進(jìn)行了拉力試驗(yàn)。但上述試驗(yàn)方法及試驗(yàn)機(jī)均不能滿足應(yīng)急拖帶裝置試驗(yàn)時(shí)的特殊角度要求，同時(shí)也未考慮超長(zhǎng)拖纜的試驗(yàn)問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種應(yīng)急拖帶裝置強(qiáng)度試驗(yàn)方法，按照型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)的要求研制了一臺(tái)船舶應(yīng)急拖帶裝置強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)可以按照“決議”的要求在極限拖帶角度下對(duì)應(yīng)急拖帶裝置進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，也能對(duì)防擦鏈、拖纜、止鏈器等部件進(jìn)行單元強(qiáng)度試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)被試拖纜、防擦鏈的長(zhǎng)度沒(méi)有限制。利用新研制的試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展了試驗(yàn)負(fù)荷為2MN的某型應(yīng)急拖帶裝置的強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得了其應(yīng)力及位移曲線，取得了良好的試驗(yàn)效果。

1應(yīng)急拖帶裝置強(qiáng)度試驗(yàn)方法研究

1.1應(yīng)急拖帶裝置組成

根據(jù)安裝位置不同，應(yīng)急拖帶裝置分為艏部應(yīng)急拖帶裝置和艉部應(yīng)急拖帶裝置，其典型布置示意圖見(jiàn)圖1?！皼Q議”規(guī)定拖纜的長(zhǎng)度不小于2H+50m(H為艉部導(dǎo)纜裝置處的海上最輕壓載時(shí)的干舷高度)；防擦鏈為有檔鏈，其長(zhǎng)度應(yīng)從拖力點(diǎn)延伸至導(dǎo)纜孔以外至少3m。

圖1　應(yīng)急拖帶裝置典型布置示意圖

1.2應(yīng)急拖帶裝置強(qiáng)度試驗(yàn)要求

決議規(guī)定，載重20 000～50 000t船舶配套應(yīng)急拖帶裝置的安全工作負(fù)荷不低于1MN，載重量大于(或等于)50 000t船舶配套應(yīng)急拖帶裝置的安全工作負(fù)荷不低于2MN，同時(shí)要求在所有可能的拖帶角度下，應(yīng)急拖帶裝置均可承受不低于2倍的安全工作負(fù)荷。

英國(guó)勞氏船級(jí)社(LR)、德國(guó)勞氏船級(jí)社(GL)、日本船級(jí)社(NK)等各大船級(jí)社均根據(jù)“決議”制訂了相應(yīng)的型式認(rèn)證指南。例如，NK規(guī)定，應(yīng)急拖帶裝置在進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，拖纜、防擦鏈、導(dǎo)纜孔及強(qiáng)力點(diǎn)等主要部件需按照典型布置要求進(jìn)行布置，在橫向90°及向下30°的方向上對(duì)拖纜、防擦鏈?zhǔn)┘?MN(載重20 000～50 000t)或4MN(載重量大于(或等于)50 000t)的試驗(yàn)負(fù)荷，并保載1min以上，在試驗(yàn)過(guò)程中任何部件不得出現(xiàn)破壞或明顯變形。

1.3強(qiáng)度試驗(yàn)方法

普通構(gòu)件的強(qiáng)度試驗(yàn)通常是在直線方向上進(jìn)行加載，而應(yīng)急拖帶裝置的強(qiáng)度試驗(yàn)則必須實(shí)現(xiàn)在橫向90°及向下30°的方向上進(jìn)行加載(圖2)。如按照典型布置要求將導(dǎo)纜孔水平固定，則拉力平面與水平面間有30°夾角，此時(shí)試驗(yàn)機(jī)必須采用空間結(jié)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、試驗(yàn)效率低，而且也不便進(jìn)行防擦鏈、止鏈器等構(gòu)件的單元強(qiáng)度試驗(yàn)。針對(duì)上述缺陷，筆者提出在水平固定平臺(tái)和被試導(dǎo)纜孔間增加一個(gè)30°的過(guò)渡斜臺(tái)(圖3)，從而實(shí)現(xiàn)拉力平面整體旋轉(zhuǎn)30°并與水平面重合，此時(shí)試驗(yàn)機(jī)即可采用常規(guī)的平面結(jié)構(gòu)。

1.固定平臺(tái)　2.導(dǎo)纜孔　3.拖纜/防擦鏈圖2　典型應(yīng)急拖帶裝置強(qiáng)度試驗(yàn)布置示意圖

1.固定平臺(tái)　2.斜臺(tái)　3.導(dǎo)纜孔　4.拖纜/防擦鏈圖3　改進(jìn)的應(yīng)急拖帶裝置強(qiáng)度試驗(yàn)布置示意圖

由于強(qiáng)力點(diǎn)(止鏈器、帶纜樁等)只受水平方向拉力，因此其是否按照典型布置要求與導(dǎo)纜孔及防擦鏈/拖纜同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有任何影響。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)，本文采用強(qiáng)力點(diǎn)單獨(dú)試驗(yàn)的方案并設(shè)計(jì)了如下試驗(yàn)流程。

(1)對(duì)強(qiáng)力點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。如圖4、圖5所示，調(diào)整固定平臺(tái)高度至合適位置，在其上固定被試止鏈器/帶纜樁，利用防擦鏈/拖纜在水平方向上對(duì)其施加試驗(yàn)負(fù)荷F，保載1min或以上；試驗(yàn)后檢查止鏈器/帶纜樁有無(wú)明顯變形。

1.固定平臺(tái)　2.止鏈器　3.防擦鏈圖4　止鏈器強(qiáng)度試驗(yàn)示意圖

1.固定平臺(tái)　2.帶纜樁　3.拖纜圖5　帶纜樁強(qiáng)度試驗(yàn)示意圖

(2)對(duì)導(dǎo)纜孔及防擦鏈/拖纜進(jìn)行組合試驗(yàn)。如圖3所示，調(diào)整固定平臺(tái)高度至合適位置，在平臺(tái)上安裝一個(gè)30°斜臺(tái)，在斜臺(tái)的斜面上固定被試導(dǎo)纜孔，將被試防擦鏈/拖纜水平穿過(guò)導(dǎo)纜孔并呈直角布置，對(duì)防擦鏈/拖纜施加試驗(yàn)負(fù)荷F，保載1min或以上；試驗(yàn)后檢查導(dǎo)纜孔及防擦鏈/拖纜有無(wú)明顯變形；當(dāng)進(jìn)行出廠試驗(yàn)時(shí)，如無(wú)法一次對(duì)整根防擦鏈/拖纜進(jìn)行試驗(yàn)，則分段進(jìn)行試驗(yàn)。

2應(yīng)急拖帶裝置強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)

根據(jù)應(yīng)急拖帶裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和前述試驗(yàn)方法，并考慮試驗(yàn)機(jī)的通用性[9-11]，筆者設(shè)計(jì)了圖6所示的T形結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)。該平臺(tái)長(zhǎng)33.25m，寬7.83m，最大試驗(yàn)負(fù)荷12MN(進(jìn)行應(yīng)急拖帶裝置試驗(yàn)時(shí)為4MN)，主體部分借鑒大型臥式拉力試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)；同時(shí)為便于進(jìn)行防擦鏈、拖纜等超長(zhǎng)構(gòu)件的安裝與試驗(yàn)，采用整體敞開(kāi)、前后貫通的機(jī)身結(jié)構(gòu)；在平臺(tái)機(jī)身及各個(gè)梁上預(yù)留了一系列卡槽、螺紋孔等連接接口，通過(guò)在其上安裝相應(yīng)的夾持單元即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同對(duì)象的拉壓試驗(yàn)。

1.機(jī)身　2.加載系統(tǒng)　3.鋼軌　4.防護(hù)網(wǎng)5.填塊　6.固定梁　7.側(cè)梁圖6　試驗(yàn)機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

加載系統(tǒng)安裝在機(jī)身前部，采用雙伺服油缸同步加載；機(jī)身內(nèi)部地面上安裝2根平行鋼軌，用于承載各移動(dòng)部件并減小摩擦力對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；固定梁通過(guò)行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)在鋼軌上前后移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到所需位置時(shí)，由可伸縮的方銷實(shí)現(xiàn)與機(jī)身間的固定連接；T形機(jī)身的拐角處設(shè)有一缺口及相應(yīng)的填塊，當(dāng)進(jìn)行應(yīng)急拖帶裝置試驗(yàn)時(shí)取下填塊，此時(shí)最大允許試驗(yàn)力為4MN，反之需在缺口處安裝填塊，用以提高機(jī)身剛度，此時(shí)最大允許試驗(yàn)力為12MN；在機(jī)身上部設(shè)有可移動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，用于保證試驗(yàn)時(shí)的人員安全。

2.2機(jī)身設(shè)計(jì)

機(jī)身作為試驗(yàn)力的主要承載部件，其強(qiáng)度和剛度的高低直接影響著試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試精度、精度穩(wěn)定性及使用壽命等關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)于超長(zhǎng)、超寬的大型臥式拉力試驗(yàn)機(jī)而言，傳統(tǒng)的框架式結(jié)構(gòu)不僅成本很高，而且還存在著剛度不足，體積龐大等缺點(diǎn)[11-12]。朱本正[11]提出將框架式的水平機(jī)身埋入預(yù)設(shè)地坑并用混凝土進(jìn)行整體澆筑，以提高測(cè)試平臺(tái)整體剛度的方法，但由于被試對(duì)象在反復(fù)加載時(shí)產(chǎn)生的交變載荷及拉斷時(shí)產(chǎn)生的沖擊載荷也會(huì)通過(guò)機(jī)身傳遞到混凝土中，有可能造成混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、剝離，從而導(dǎo)致機(jī)身承載能力的下降，因此，本文設(shè)計(jì)了圖7、圖8所示的結(jié)構(gòu)件-混凝土復(fù)合式機(jī)身。機(jī)身結(jié)構(gòu)件部分主要由若干段長(zhǎng)×寬為1250mm×120mm的Q345B鋼板組成，其上每隔900mm布置有2對(duì)長(zhǎng)圓孔，并通過(guò)M24×500mm的地腳螺栓固定在整體澆筑的凹型C30混凝土中；機(jī)身上部設(shè)有由厚度為16mm鋼板焊接而成的矩形箱體。

圖7　機(jī)身結(jié)構(gòu)件模型

圖8　復(fù)合機(jī)身澆筑后剖面圖

由于Q345B鋼板的彈性與韌性比較好，因此在彈性范圍內(nèi)的反復(fù)拉壓不會(huì)導(dǎo)致機(jī)身結(jié)構(gòu)的永久變形或破壞；而混凝土結(jié)構(gòu)成本低廉、剛度高、抗壓性能好，但抗拉與抗沖擊性能差。本文設(shè)計(jì)的機(jī)身充分結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，在試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的軸向拉壓力及試樣斷裂時(shí)產(chǎn)生的沖擊載荷均由機(jī)身結(jié)構(gòu)件部分承擔(dān)，機(jī)身混凝土部分僅承受正壓力，主要用于提高機(jī)身縱向剛度，避免機(jī)身結(jié)構(gòu)件部分受力后產(chǎn)生屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象。經(jīng)計(jì)算，該結(jié)構(gòu)機(jī)身和傳統(tǒng)的框架式結(jié)構(gòu)機(jī)身相比，不僅縱向剛度提高4倍以上，而且減少了70%的鋼材使用量，降低了制造成本。

在進(jìn)行拉壓試驗(yàn)時(shí)，機(jī)身結(jié)構(gòu)件會(huì)沿軸向伸長(zhǎng)或縮短，如直接將其固定在混凝土中，則會(huì)在各固定點(diǎn)處產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致機(jī)身變形、混凝土開(kāi)裂。如圖7、圖8所示，通過(guò)將機(jī)身上的地腳螺栓孔改為長(zhǎng)×寬為68mm×60mm的孔，并在地腳螺栓與長(zhǎng)圓孔間增加一壁厚為2.8mm，高度為h+0.2mm(h為長(zhǎng)圓孔處的機(jī)身厚度)的過(guò)渡套，使得機(jī)身結(jié)構(gòu)件在軸向相對(duì)于混凝土有8mm的滑移空間，從而消除了混凝土對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)件軸向變形的限制。

通過(guò)ABAQUS有限元分析可知，當(dāng)機(jī)身承受12MN試驗(yàn)載荷時(shí)，其上最大應(yīng)力為191.8MPa，位于機(jī)身與固定梁連接處，在安全范圍內(nèi)；機(jī)身軸向最大變形量為5.196mm，在設(shè)計(jì)的允許滑移范圍內(nèi)。

2.3加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖6所示，油缸座安裝在機(jī)身前部的凹槽中，兩個(gè)單作用伺服油缸水平安裝在油缸座中，油缸活塞桿通過(guò)法蘭與動(dòng)力梁連接，動(dòng)力梁通過(guò)4根拉桿帶動(dòng)油缸座后部的活動(dòng)梁運(yùn)動(dòng)。每個(gè)伺服油缸內(nèi)徑為750mm，活塞桿直徑為500mm，最大伸出長(zhǎng)度為2000mm，最大輸出推力為6MN。

電液伺服同步控制技術(shù)具有同步精度高、速度快等特點(diǎn)，故其在多缸同步加載系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用[13-14]。但對(duì)于大噸位同步加載系統(tǒng)而言，一旦同步系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則有可能造成運(yùn)動(dòng)部件卡死，甚至整個(gè)設(shè)備損壞等嚴(yán)重后果[15]。為保證試驗(yàn)機(jī)的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了一種電液伺服同步控制和機(jī)械同步相結(jié)合的同步方案。

每個(gè)伺服油缸均由一個(gè)伺服閥單獨(dú)控制，根據(jù)選擇的閉環(huán)通道和預(yù)定的控制目標(biāo)，通過(guò)外部反饋單元(位移傳感器、力傳感器)實(shí)時(shí)采集信號(hào)并反饋到對(duì)應(yīng)的PID控制單元，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。其中一個(gè)伺服油缸進(jìn)行主動(dòng)控制，用于快速逼近控制目標(biāo)；另一個(gè)伺服油缸進(jìn)行跟蹤控制，用于實(shí)現(xiàn)兩油缸間的精確同步。當(dāng)電液伺服同步控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，動(dòng)力梁、活動(dòng)梁會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，造成梁的一側(cè)與機(jī)身接觸并產(chǎn)生擠壓，且擠壓力與梁的偏轉(zhuǎn)角度成正比。擠壓會(huì)造成機(jī)身變形，而變形又會(huì)進(jìn)一步增大梁的偏轉(zhuǎn)角，如果機(jī)身剛度不足，則變形程度會(huì)不斷惡化，最終造成試驗(yàn)機(jī)的損壞。

1.機(jī)身結(jié)構(gòu)件(120.0 MPa)　2.機(jī)身混凝土(27.26 MPa)3.活塞桿(384.7 MPa)　4.機(jī)身結(jié)構(gòu)件(0.61 mm)5.活塞桿1(14.32 mm)　6.活塞桿2(22.86 mm)7,8.加載工件(端部固定)圖9　加載系統(tǒng)有限元分析

如圖9所示，在動(dòng)力梁與活動(dòng)梁的左右兩側(cè)均安裝有導(dǎo)向滾輪，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)整使得梁與機(jī)身間的間隙控制在0.1～0.5mm之間。由于梁與機(jī)身間的間隙較小，故兩者剛接觸時(shí)的初始擠壓力較?。灰驒C(jī)身縱向剛度較高，故不會(huì)出現(xiàn)機(jī)身變形不斷惡化的現(xiàn)象；導(dǎo)向滾輪與機(jī)身間為滾動(dòng)摩擦，有效地避免了梁卡死的現(xiàn)象。如圖10所示，在最惡劣的不同步狀態(tài)下(一側(cè)油缸輸出推力為6MN，另一側(cè)為0)，加載系統(tǒng)受到的最大應(yīng)力為384.7MPa，位于加載一側(cè)油缸活塞桿根部；機(jī)身結(jié)構(gòu)件上受到的最大應(yīng)力為120.2MPa，位于機(jī)身與動(dòng)力梁滾輪的接觸部位；機(jī)身混凝土上受到的最大應(yīng)力為27.76MPa；機(jī)身結(jié)構(gòu)件上的最大變形為0.61mm，同樣位于上述接觸部位；兩油缸活塞桿伸出量的最大偏差為8.54mm。上述應(yīng)力值均小于設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力值，證明了該同步方案的有效性。

2.4拖纜(鋼絲繩)夾持單元設(shè)計(jì)

GB/T8358-2006《鋼絲繩破斷拉伸試驗(yàn)方法》規(guī)定鋼絲繩的夾持方法有澆鑄法、套壓法、纏繞法和直接夾持法四種。但上述方法只適用于對(duì)鋼絲繩試樣進(jìn)行夾持，對(duì)于像拖纜這樣的超長(zhǎng)、超粗鋼絲繩成品進(jìn)行拉力試驗(yàn)的夾持方法，目前研究還較少。本文設(shè)計(jì)了圖10所示的拖纜(鋼絲繩)夾持單元，拖纜在拉力卷筒上纏繞5圈以上，再由尾頭繩夾具直接夾緊，最后通過(guò)儲(chǔ)纜器進(jìn)行收纜。儲(chǔ)纜器和拉力卷筒均由變頻電機(jī)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)，兩者配合同步旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)拖纜在夾持系統(tǒng)內(nèi)的單向移動(dòng)；拉力卷筒的一側(cè)還設(shè)置有8個(gè)等距銷孔，通過(guò)手柄和插銷可實(shí)現(xiàn)拉力卷筒在圓周方向的固定。

1，4.尾頭繩夾具　2，3.拉力卷筒　5.儲(chǔ)纜器圖10　拖纜(鋼絲繩)夾持單元

根據(jù)撓性體摩擦傳動(dòng)理論，拖纜在卷筒上纏繞若干圈后，拉力衰減情況為[16]

T2=T1eμ α

(1)

式中,T1為拖纜通過(guò)卷筒前所受的拉力;T2為拖纜通過(guò)卷筒后所受的拉力;μ為拖纜與卷筒間的摩擦因數(shù);α為拖纜在卷筒上的包角。

當(dāng)對(duì)拖纜施加4MN試驗(yàn)載荷時(shí)，如拖纜在卷筒上纏繞5圈，μ取0.15，則T2=35.93 kN。由于T2?T1，因此尾頭繩夾具只需要對(duì)拖纜施加不大的夾緊力即可實(shí)現(xiàn)夾持，且不會(huì)出現(xiàn)拖纜打滑或表面損傷等問(wèn)題。

3試驗(yàn)應(yīng)用

根據(jù)上述方案研制的試驗(yàn)機(jī)如圖11所示，經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院檢定，其測(cè)試精度高于1%。利用該試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)負(fù)荷為2MN的某型艉部應(yīng)急拖帶裝置的強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖11　應(yīng)急拖帶裝置強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖

具體試驗(yàn)流程如下：

(1)如圖12所示，在T形機(jī)身短邊和長(zhǎng)邊拐角處的預(yù)留地坑中安裝升降平臺(tái)、30°斜臺(tái)及被測(cè)導(dǎo)纜孔；接著緊靠升降臺(tái)的前部布置固定梁，并通過(guò)方銷鎖緊在機(jī)身上；然后在側(cè)梁上安裝拉力卷筒1和尾頭繩夾具，在活動(dòng)梁上安裝鋼絲繩擋塊；最后在機(jī)身端部的預(yù)留儲(chǔ)纜器座中安裝儲(chǔ)纜器。

1.升降平臺(tái)　2.30°斜臺(tái)3.被測(cè)導(dǎo)纜孔　4.拉力卷筒2圖12　試驗(yàn)機(jī)局部實(shí)物圖1

(2)將待測(cè)拖纜放置在短邊機(jī)身的端部，取拖纜一端穿過(guò)尾頭繩夾具，并在拉力卷筒1上纏繞5圈(圖13)后，在儲(chǔ)纜器中的牽引繩的牽引下穿過(guò)導(dǎo)纜孔(圖12)及鋼絲繩擋塊，液壓缸驅(qū)動(dòng)活動(dòng)梁運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖纜第一段的測(cè)試。

1.拉力卷筒1　2.側(cè)梁圖13　試驗(yàn)機(jī)局部實(shí)物圖2

(3)從鋼絲繩擋塊中取出拖纜繩頭，在活動(dòng)梁上安裝拉力卷筒2，并將拖纜繩頭固定在拉力卷筒上，驅(qū)動(dòng)拉力卷筒1、2同步旋轉(zhuǎn)，直至拖纜在拉力卷筒2上纏繞5圈后停止，取下繩頭再次安裝到鋼絲繩擋塊中，液壓缸驅(qū)動(dòng)活動(dòng)梁運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖纜第二段的測(cè)試。

(4)拆下鋼絲繩擋塊，并在活動(dòng)梁上安裝尾頭繩夾具，由儲(chǔ)纜器中的牽引繩牽引拖纜繩頭，驅(qū)動(dòng)拉力卷筒1、2及儲(chǔ)纜器同步旋轉(zhuǎn)，直至已測(cè)試過(guò)的拖纜不在拉力卷筒1、2之間時(shí)停止，液壓缸驅(qū)動(dòng)活動(dòng)梁運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖纜第三段的測(cè)試。

(5)根據(jù)拖纜長(zhǎng)度，反復(fù)按照步驟(4)進(jìn)行拖纜中間段的測(cè)試。

(6)拆下側(cè)梁上的尾頭繩夾具和拉力卷筒1，更換成鋼絲繩擋塊，并將拖纜繩尾固定在鋼絲繩擋塊中，液壓缸驅(qū)動(dòng)活動(dòng)梁運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖纜最后一段的測(cè)試。

(7)在上述每一步驟試驗(yàn)完成后，檢查拖纜和導(dǎo)纜孔是否有損壞或明顯變形。

圖14為拖纜中間某一段(直徑φ66mm，長(zhǎng)約20m)的拉力試驗(yàn)曲線。

(a)位移-時(shí)間曲線

(b)力-時(shí)間曲線

(c)力-位移曲線圖14　拖纜中間段拉力試驗(yàn)曲線

從圖14中可以看出，當(dāng)拉力低于100kN時(shí)，拖纜伸長(zhǎng)速率較快，這是由于拖纜在拉緊過(guò)程中會(huì)與拉力卷筒間產(chǎn)生少量的滑移；當(dāng)拉力高于100kN時(shí)，由于拖纜已經(jīng)完全繃緊，其伸長(zhǎng)速率趨于平緩；隨著拉力的進(jìn)一步增大，拖纜內(nèi)部處于螺旋交織狀態(tài)的各股鋼絲會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、擠壓現(xiàn)象，導(dǎo)致拖纜的總體剛度有輕微的增大；同時(shí)拖纜在加卸載過(guò)程中由于內(nèi)部各股鋼絲之間的相互摩擦，故使得曲線呈現(xiàn)明顯的滯回現(xiàn)象。經(jīng)計(jì)算，該段拖纜在承受2MN試驗(yàn)載荷時(shí)的伸長(zhǎng)量約為280mm，對(duì)應(yīng)伸長(zhǎng)率為1.4%。試驗(yàn)完成后人工檢查拖纜及導(dǎo)纜孔均沒(méi)有明顯的變形或破壞，表明該應(yīng)艉部急拖帶裝置強(qiáng)度試驗(yàn)合格。

4結(jié)論

(1)研究了應(yīng)急拖帶裝置強(qiáng)度試驗(yàn)方法，提出了在水平固定平臺(tái)和被試導(dǎo)纜孔間增加過(guò)渡斜臺(tái)以實(shí)現(xiàn)拉力平面整體翻轉(zhuǎn)并與水平面重合，及將強(qiáng)力點(diǎn)單獨(dú)試驗(yàn)的方案，并據(jù)此設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)流程。

(2)研制了由T形結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)及各種夾持單元組成的應(yīng)急拖帶裝置強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行了試驗(yàn)機(jī)總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)件-混凝土復(fù)合式機(jī)身設(shè)計(jì)、雙缸同步加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)、拖纜(鋼絲繩)夾持單元設(shè)計(jì)，該試驗(yàn)機(jī)不僅可對(duì)應(yīng)急拖帶裝置進(jìn)行型式試驗(yàn)及出廠試驗(yàn)，而且還有較好的通用性，此外還具有成本低、可靠性好、精度穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

(3)進(jìn)行了試驗(yàn)負(fù)荷為2MN的某型艉部應(yīng)急拖帶裝置的強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程證明了設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法可行、研制的試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)合理，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著拉力的增大，拖纜的總體剛度有輕微的增大；拖纜在加卸載過(guò)程中存在明顯的滯回現(xiàn)象，試驗(yàn)完成后拖纜及導(dǎo)纜孔均沒(méi)有明顯的變形或破壞，說(shuō)明該應(yīng)急拖帶裝置強(qiáng)度符合要求。

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(編輯王艷麗)

DevelopmentofStrengthTestMachineforMarineEmergencyTowingArrangements

SuShijie1,2YouYoupeng1TangWenxian2LiCunjun3

1.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing， 210016 2.JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang，Jiangsu，212003 3.ZhoushanInstituteofCalibrationandTestingforQualityandTechnologySupervision,Zhoushan，Zhejiang， 316021

Abstract：A test method of strength test for emergency towing arrangements was presented herein. In order to simplify the structure of test machine, the fairlead and towing pennant/chafing chain were rotated 30 degrees, so that the tensile plane was horizontal, and the strong point was tested separately, then the test procedure was presented. According to the test method, type test and factory test criteria, the work such as total design,steel-concrete composite body design, synchronous loading system design and towing pennant holding fixture design were completed. The strength test machine was developed, which consisted of the T type base platform and various holding fixtures. Using the test machine, strength test of a 2MN type aft emergency towing arrangements we carried out. The practices show that the test method is feasible, and the test machine has some features such as reasonable structure, good reliability and high precision, etc.

Key words：emergency towing arrangement; strength test; testing machine; towing pennant holding fixture

收稿日期：2015-04-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201310111)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金——前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2013066-05)

中圖分類號(hào)：TH871

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.04.006

作者簡(jiǎn)介：蘇世杰，男，1981年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院博士研究生，江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ萄b備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。發(fā)表論文10余篇。游有鵬，男，1960年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授。唐文獻(xiàn)，男，1962年生。江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。李存軍，男，1966年生。舟山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院高級(jí)工程師。