孫鐵銳，李成龍

（廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院船舶與海洋工程部，廣東廣州510250）

水下基床整平是重力式碼頭工程、海上防波堤工程、航道整治工程等重要施工工序之一。近年來，港口和航道建設(shè)由近岸向遠(yuǎn)海發(fā)展，水下人工整平的方法已難以適應(yīng)深水或無遮掩水域［1-2］。因此，對水下基床整平平臺進(jìn)行深入研究具有重要意義。自20世紀(jì)70年代中后期開始，我國在拋石基床整平技術(shù)及裝備方面取得了不少成果。1977年，中交第四航務(wù)工程局使用一艘甲板駁改裝而成的“粵工細(xì)平1號”，完成了菠蘿廟航修站、南海船廠和新港二期碼頭等工程項(xiàng)目的整平工作；1979年，中交第一航務(wù)工程局研制了框架式水下整平平臺，成功應(yīng)用于青島港8號碼頭施工［3］；1998年，中交第一航務(wù)工程局為實(shí)施長江口一期工程，開發(fā)制造了“青平1號”專用拋石整平船；2002年，中交第二航務(wù)工程局聯(lián)合上海交通大學(xué)等科研設(shè)計(jì)單位，研制了“航工平1號”自升式拋石整平船，在長江口二期工程施工中投入使用［4］；2008年，中交第一航務(wù)工程局在“青平2號”的基礎(chǔ)上研發(fā)了新一代的深水基床拋石整平船，2009年完成改裝后在港前灣四期工程等項(xiàng)目中取得良好的整平效果［5］；2012年，為滿足港珠澳大橋沉管隧道碎石墊層鋪設(shè)整平的要求，振華重工研制了“津平1號”拋石整平船，這是我國第一艘自主研發(fā)的自升式高精度深水拋石整平平臺［6-7］；為服務(wù)深中通道項(xiàng)目，由廣州打撈局牽頭研發(fā)的世界上作業(yè)水深最大的3D碎石整平清淤船于2019年6月開建，由中交一航局投資的世界最大、最先進(jìn)的自升式碎石鋪設(shè)整平船“一航津平2”已于2019年11月順利交船［8］。

本文依托自浮式水下基床整平平臺項(xiàng)目，其主尺度與作業(yè)能力如表1所示。該平臺為框架式鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，設(shè)兩層水平管式鋼梁和頂部平臺，通過管式立柱及斜撐連接形成穩(wěn)定框架結(jié)構(gòu)。預(yù)壓載方式為四角均衡壓載，框架結(jié)構(gòu)的4角設(shè)置4只浮箱和4個(gè)液壓支撐柱，實(shí)現(xiàn)平臺自浮、下沉及支撐穩(wěn)定的功能，如圖1所示。該平臺上還設(shè)有另一重要的組成部分——刮鏟裝置，本文主要對刮鏟裝置的具體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，為類似工程提供借鑒和參考。

表1 主尺度與作業(yè)能力Tab.1 Principal dimensions and work capacity

圖1 整平平臺立面布置Fig.1 Plane and vertical arrangement of leveling platform

1 方案設(shè)計(jì)

整平平臺的刮鏟裝置主要由刮鏟結(jié)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)3部分構(gòu)成，各組成部分的具體設(shè)計(jì)方案如下：

1.1 刮鏟結(jié)構(gòu)

刮鏟結(jié)構(gòu)是通過整平平臺牽引機(jī)構(gòu)的作用在基床面上進(jìn)行移動(dòng)，帶動(dòng)高于基床面的石料移動(dòng)，將石料填充到低于基床面的凹點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)基床整平最直接作用的結(jié)構(gòu)。由于水下整平過程中刮鏟結(jié)構(gòu)受到水阻力大，容易發(fā)生變形，造成水下基床面不平整，進(jìn)而影響工作效率和作業(yè)質(zhì)量，因此，刮鏟結(jié)構(gòu)直接影響整平精度。常用的整平刮鏟結(jié)構(gòu)有鏟斗式結(jié)構(gòu)、溜管式結(jié)構(gòu)和平板式結(jié)構(gòu)。

1.1.1 鏟斗式結(jié)構(gòu)

鏟斗式結(jié)構(gòu)類似于挖掘機(jī)的重要工作部件鏟斗，通過推鏟實(shí)現(xiàn)平整作業(yè)，如圖2所示［9］。其由呈彎曲面的鏟斗主板、背板和位于鏟斗兩側(cè)的擋板組成。背板用于增強(qiáng)鏟斗主板的強(qiáng)度，同時(shí)為了減小工作過程中水的阻力作用，鏟斗主板上設(shè)置多排流水孔。底部設(shè)置的刮板可適應(yīng)不同傾斜角度的基床面且保持無縫貼合，刮板為可拆卸式結(jié)構(gòu)，避免更換整個(gè)鏟斗。

圖2 鏟斗式結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic of bucket structure

1.1.2 溜管式結(jié)構(gòu)

溜管式結(jié)構(gòu)具有石料輸送和石料刮平的作用，適用于從工作母船或岸上連續(xù)輸送石料到溜管，再經(jīng)溜管下料到基床的整平平臺，如圖3所示［7］。該溜管可采用萬向可伸縮物料輸送管，以便適應(yīng)在風(fēng)、浪、流、潮等多種因素作用下工作母船同整平平臺之間的相對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，完成石料的準(zhǔn)確輸送，同時(shí)屏蔽掉工作母船的運(yùn)動(dòng)給整平平臺造成的影響，并最大限度地減小水流力通過石料溜管對整平平臺產(chǎn)生的作用。

圖3 溜管式結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic of mooch pipe structure

1.1.3 平板式結(jié)構(gòu)

平板式結(jié)構(gòu)通過一定厚度的刮刀進(jìn)行刮鏟，主要由刮刀、刮刀肘板、刮刀梁管件及其扶強(qiáng)材，刮刀與梁管件間留有水流通過的間隙，以減小水流阻力，如圖4所示。為防止刮刀梁管件在重力作用下產(chǎn)生較大撓度影響到整平效果，將刮刀梁管件進(jìn)行封閉處理，保證刮刀梁管件的浮力達(dá)到或接近其所受到重力，進(jìn)而確保整平精度。

圖4 平板式結(jié)構(gòu)Fig.4 Schematic of flat scraper structure

上述3種刮鏟結(jié)構(gòu)各具特色，如鏟斗式結(jié)構(gòu)采用可拆卸式刮板能適應(yīng)不同傾斜角度的基床面，溜管式結(jié)構(gòu)兼具石料輸送和石料刮平功能，平板式結(jié)構(gòu)利用浮力作用提高整平精度?？紤]到依托項(xiàng)目所處海域風(fēng)、浪、流較小，屬半日潮，基床設(shè)計(jì)頂面高程在6 m以內(nèi)，且基床石料由其他專門方式直接輸送在基床，整平機(jī)可不設(shè)專門的送料系統(tǒng)。因此，溜管式結(jié)構(gòu)在本項(xiàng)目中暫不采用。鏟斗式結(jié)構(gòu)相對于平板式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其制造難度比平板式結(jié)構(gòu)大，且成本更高，在均滿足水下整平精度±25 mm的情況下，本刮鏟裝置中的刮鏟結(jié)構(gòu)采用圖4所示的平板式結(jié)構(gòu)。

1.2 牽引機(jī)構(gòu)

牽引機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)刮鏟結(jié)構(gòu)沿特定方向移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)整平作業(yè)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)。常見的整平平臺牽引機(jī)構(gòu)為絞車牽引機(jī)構(gòu)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

1.2.1 絞車牽引機(jī)構(gòu)

絞車牽引機(jī)構(gòu)由2臺電動(dòng)雙卷筒雙聯(lián)絞車牽引，1臺絞車牽引刮鏟結(jié)構(gòu)向前運(yùn)動(dòng)，完成整平工作，另1臺絞車牽引刮鏟結(jié)構(gòu)復(fù)位，圖5為刮鏟結(jié)構(gòu)右側(cè)的絞車牽引機(jī)構(gòu)示意圖。絞車由鋼絲繩通過滑輪組、導(dǎo)向滑輪和張力器等部分組成。水下部位的滑輪應(yīng)具有防污結(jié)構(gòu)，防止有異物進(jìn)入軸承影響使用效果。每根牽引鋼絲繩末端（固定端）設(shè)置鋼絲繩張力器，監(jiān)測刮鏟結(jié)構(gòu)作業(yè)時(shí)的受力狀態(tài)。在刮鏟結(jié)構(gòu)與下層端部框架梁之間設(shè)置限位感應(yīng)器，防止絞車過度牽引而引發(fā)事故。

圖5 絞車牽引機(jī)構(gòu)Fig.5 Schematic of winch traction mechanism

1.2.2 液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)、減速器、鏈輪、導(dǎo)鏈輪和環(huán)形鏈構(gòu)成，環(huán)形鏈的兩端均固定在整平平臺的框架上。本平臺設(shè)置2套液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別在刮鏟結(jié)構(gòu)的兩端設(shè)置，一端的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖6所示。當(dāng)液壓馬達(dá)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，刮鏟結(jié)構(gòu)朝右側(cè)移動(dòng)完成整平工作；當(dāng)液壓馬達(dá)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，刮鏟結(jié)構(gòu)朝左側(cè)移動(dòng)完成復(fù)位。

圖6 液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.6 Schematic of hydraulic drive mechanism

上述兩種牽引機(jī)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)刮鏟結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，但液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)需要在鏈輪和導(dǎo)向輪處設(shè)置專門的保護(hù)罩，以免碎石嵌入環(huán)形鏈中卡住鏈輪影響刮鏟結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。另外絞車牽引機(jī)構(gòu)的兩臺絞車均為雙出繩絞車，每臺絞車分別控制刮鏟結(jié)構(gòu)的前進(jìn)和復(fù)位，而兩套液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)需要同步控制刮鏟結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，存在同步控制困難且影響整平精度，因此，刮鏟結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)采用圖5所示的絞車牽引機(jī)構(gòu)。

1.3 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)刮鏟結(jié)構(gòu)沿特定方向移動(dòng)并保持整平精度的重要機(jī)構(gòu)，其承受著整套刮鏟裝置的重力及刮鏟結(jié)構(gòu)傳遞過來的石料阻力，并具有行走和導(dǎo)向限位雙重作用。根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式可為滑動(dòng)式和滾動(dòng)式，根據(jù)接觸方式分可分為點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸。本項(xiàng)目考慮滑動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)和車輪踏面為點(diǎn)接觸的滾動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)。

1.3.1 滑動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)

滑動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)由軌道、滑動(dòng)塊和導(dǎo)向限位塊組成，如圖7所示，刮鏟結(jié)構(gòu)通過滑動(dòng)塊、限位塊在軌道上實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和限位，軌道材料可以是不銹鋼材料，滑動(dòng)塊和導(dǎo)向限位塊可以是MC鑄型尼龍。

圖7 滑動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)Fig.7 Schematic of sliding walking mechanism

1.3.2 滾動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)

滾動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)由軌道、行走輪和導(dǎo)向限位塊組成，如圖8所示。刮鏟結(jié)構(gòu)通過行走輪、導(dǎo)向限位塊在軌道上實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和限位，軌道材料可以是Q345，行走輪和導(dǎo)向限位塊可以是C45，行走輪踏面形狀為球面，其與軌道的接觸形式為點(diǎn)接觸式。

圖8 滾動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)Fig.8 Schematic of point contact rolling walking mechanism

上述兩種行走機(jī)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)刮鏟結(jié)構(gòu)的行走，其中，滑動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，并具有水潤滑的功能，但其載荷有限，使用壽命不長，且容易在滑塊與軌道的間隙中卡住碎石，造成運(yùn)動(dòng)不暢甚至無法運(yùn)行的情況。滾動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)承載能力強(qiáng)，點(diǎn)接觸式的行走輪踏面減小了石料卡住的風(fēng)險(xiǎn)，且運(yùn)行阻力小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。為了減少行走輪和導(dǎo)向輪的維護(hù)，輪子的襯套采用工程塑料合金以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)副的自潤滑作用。因此，本刮鏟裝置的行走機(jī)構(gòu)采用車輪踏面為點(diǎn)接觸的滾動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)。

2 設(shè)計(jì)方案

上文對刮鏟裝置主要組成部分進(jìn)行了方案對比論證，根據(jù)對比結(jié)果，本刮鏟裝置由平板式刮鏟結(jié)構(gòu)、絞車牽引機(jī)構(gòu)和點(diǎn)接觸的滾動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)組成，如圖9所示。為保證整平平臺的精度在±25 mm，本整平平臺4角設(shè)置4只浮箱進(jìn)行均衡壓載，以保證整平時(shí)的穩(wěn)定作業(yè)和整平精度。同時(shí)，平板式刮鏟結(jié)構(gòu)的刮刀梁管件通過浮力作用可防止刮刀梁管件產(chǎn)生較大撓度而影響整平精度。另外，通過槽型軌道將行走輪的垂向間隙設(shè)計(jì)為10 mm，并通過導(dǎo)向輪導(dǎo)向以控制整平精度。

圖9 刮鏟裝置示意圖Fig.9 Schematic of scraper device

3 強(qiáng)度校核

刮鏟裝置刮鏟結(jié)構(gòu)中的刮刀材料為Hardox悍達(dá)400耐磨鋼板，屈服強(qiáng)度為1 000 MPa，其余材料為Q345鋼材，屈服強(qiáng)度為345 MPa。根據(jù)刮鏟結(jié)構(gòu)的作業(yè)環(huán)境和作業(yè)特點(diǎn)，主要由刮刀承受工作載荷，刮刀長10 m，高0.3 m，水平工作載荷為200 k N，換算成面壓力為0.066 7 MPa，刮鏟結(jié)構(gòu)受到的靜水壓力按最大作業(yè)水深8.5 m施加。采用MSC.Patran進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，結(jié)果如圖10所示，根據(jù)CCS《海上移動(dòng)平臺入級規(guī)范（2016）》靜載工況下的安全系數(shù)取1.43［10］，則刮刀的許用應(yīng)力為699 MPa，其余材料的許用應(yīng)力為241 MPa，刮鏟結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力為44.4 MPa，小于材料的許用應(yīng)力。

圖10 刮鏟結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.10 Stressnephogram of scraper structure

本刮鏟裝置的行走機(jī)構(gòu)采用材料為C45的行走輪，其彈性模量E為2.09×1011Pa，踏面的硬度（經(jīng)淬火等處理后）為300～380 HB，其屈服強(qiáng)度為σs為345 MPa，所設(shè)計(jì)行走輪的半徑R為0.45 m。已知每個(gè)行走輪到刮鏟結(jié)構(gòu)的距離a為1 m，刮鏟結(jié)構(gòu)的長度b為10 m，刮鏟結(jié)構(gòu)的高度h為1.3 m，刮鏟結(jié)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)的質(zhì)量約10 t，重力和浮力的合力G'約為30 k N，刮鏟結(jié)構(gòu)受到絞車提供的額定牽引力Fq為200 k N，石料對刮鏟結(jié)構(gòu)中的刮刀作用力F為200 k N，如圖11所示。石料作用力F對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生逆時(shí)針的傾覆力矩M1，在M1作用下，圖11中后方2個(gè)行走輪剛脫離接觸時(shí)，前方2個(gè)行走輪受到的擠壓力P最大，P一方面用于平衡G'，另一方面用于提供旋轉(zhuǎn)力矩M2以平衡M1。因行走輪與軌道為點(diǎn)接觸，滾動(dòng)摩擦力相對較小，可忽略不計(jì)。

圖11 行走輪位置及受力Fig.11 Position and force of walking wheel

由受力平衡得單個(gè)行走輪受到的擠壓力P為

3.1 理論校核

根據(jù)赫茲理論，行走輪的理論載荷是通過點(diǎn)傳遞的，實(shí)際上零件受載后接觸部分產(chǎn)生局部彈性變形，從而形成接觸面很小的面接觸，這樣在行走輪的接觸處產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力，離開接觸面稍遠(yuǎn)處接觸應(yīng)力急劇下降。對于該行走輪的強(qiáng)度校核按接觸表面處的接觸應(yīng)力進(jìn)行校核，其強(qiáng)度條件為

式中：σHP為許用接觸應(yīng)力。

點(diǎn)接觸類型的最大接觸應(yīng)力σmax計(jì)算如下

式中：P為行走輪受到的擠壓力；E為彈性模量；R為行走輪的半徑。則

本行走機(jī)構(gòu)的行走輪參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第五版）》中起重機(jī)的車輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)手冊用插值法查得C45的許用線接觸應(yīng)力σHLP為1 200 MPa，則其許用點(diǎn)接觸應(yīng)力σHPP為［11］

當(dāng)系數(shù)取1.3時(shí)，行走輪與軌道點(diǎn)接觸的許用點(diǎn)接觸應(yīng)力σHPP為1 560 MPa，故本行走輪的最大接觸應(yīng)力小于其許用點(diǎn)接觸應(yīng)力，行走輪強(qiáng)度滿足要求。

3.2 數(shù)值計(jì)算

采用ANSYS軟件建立行走輪與軌道的幾何模型，如圖12所示。行走輪受到重力1.65 kN，由輪軸傳遞到行走輪上的作用力為143.35 k N，軌道設(shè)置為固定約束，行走輪與軌道的接觸計(jì)算采用純粹罰函數(shù)法（Pure Penalty，PP），計(jì)算結(jié)果如圖13所示。行走輪所受到的最大應(yīng)力在接觸位置上，為1 035.7 MPa，點(diǎn)接觸周邊應(yīng)力值急劇下降，行走輪最大應(yīng)力小于其許用接觸應(yīng)力，故行走輪強(qiáng)度滿足要求。

圖12 施加載荷示意圖Fig.12 Schematic of load model

圖13 行走輪應(yīng)力分布示意圖Fig.13 Stress distribution of walking wheel

4 結(jié)語

本文依托一種自浮式水下基床整平平臺，確定了由平板式刮鏟結(jié)構(gòu)、絞車牽引機(jī)構(gòu)和點(diǎn)接觸的滾動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)組成的刮鏟裝置。采用MSC.Patran計(jì)算得知刮鏟結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力為44.4 MPa，小于其許用應(yīng)力699.0 MPa。對行走輪部件分別進(jìn)行了理論強(qiáng)度校核和ANSYS數(shù)值計(jì)算，理論計(jì)算得到行走輪受到的最大接觸應(yīng)力為1 222.5 MPa，數(shù)值計(jì)算得到行走輪所受的最大應(yīng)力位1 035.7 MPa，結(jié)果均小于行走輪的許用點(diǎn)接觸應(yīng)力1 560 MPa。本文提供了刮鏟裝置的多種設(shè)計(jì)方案，對整平平臺的設(shè)計(jì)研究具有一定的借鑒意義。