深水流速剖面甲板折臂式收放裝置設(shè)計(jì).docx

1、深水流速剖面甲板折臂式收放裝置設(shè)計(jì)李懷亮I，付英群2,陸建輝2(1.凈岸石沾工程股份有限公司，天津300452;2.中國(guó)泠洋大學(xué)，東音島266100)Mt：深水凌速刈血甲板收枚裝JL是承擔(dān)泠洋際境調(diào)查設(shè)務(wù)投枚及回收的受鼻工具，基于漆海紫測(cè)任務(wù)需求，采用甲板析若式方米設(shè)計(jì)測(cè)童設(shè)谷收赦裝JU設(shè)計(jì)述程包格屋體送動(dòng)方童設(shè)計(jì)、玄修機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析、三堆建模與仿真分析昔。設(shè)計(jì)甲板收放裝置丈幡危圖1.6mWRW3.5m、起幣焉度HN2.1E,主要構(gòu)件淺灰珞在尚足API2C規(guī)危委求，滿足泠上環(huán)境丈測(cè)任務(wù)需求。關(guān)盟詞：折號(hào)幣車；丈修機(jī)枸；三維建模；有底元會(huì)析中圖分類號(hào)：TH122文獻(xiàn)林志碼：Adoi：10.3

2、969/j.issn.1006-0316.2015.04.004文章編號(hào)：1006-0316(2015)04-0014-04DeepseavelocityprofileretractablefoldingboomtypedeckdevicedesignLIHualiang1,FUYingqun2,LUJianhui2(1.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300452,China;2.OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China)Abstract:Deepseavelocityprofiledeckretract

3、abledeviceisanimportanttoolformarineenvironmentalinvestigationbearrunningandrecoverymeasuringinstruments.Basedondeep-seamonitoringmissionrequirements,thefoldingboomtypeschemeofdesigndeviceisadopted.Thedesignprocessofdeviceincludesmotionprinciplesofdesign,luffingmechanismdesignand3DmodelingandSimulat

4、ion.Theluffingrangeofdeckretractabledeviceisfrom1.6mto3.5m,liftingheightis2.1m.ThemaincomponentstrengthofthestructuremeetsAPI2Cspecifications.Thedeviceisadequatetoneedsofthemarineenvironmentmonitoringtasks.收稿日期：2014-11-14基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大g項(xiàng)(2011ZX0505-003)作者簡(jiǎn)介：李懷亮(1972-),河北人.學(xué)：t,主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程。Keywords：(bidi

5、ngboomtype；luffingmechanism；船用甲板收放裝置是海洋開(kāi)發(fā)、海上環(huán)境監(jiān)測(cè)等過(guò)程中必不可少的工具，主要用于海洋裝備等的輸運(yùn)、投放和回收工作。甲板收放裝置變幅形式主要可參考固定旋轉(zhuǎn)起重機(jī)、移動(dòng)旋轉(zhuǎn)起重機(jī)、龍門起重機(jī)，這類起重機(jī)的工作半徑較大、起升線纜長(zhǎng)，表1是對(duì)幾種主要形式起重機(jī)的性能比較。這些裝置用于海上測(cè)量，設(shè)備安全性難于得到保障，尤其對(duì)一些易燃易爆物品、貴重儀器設(shè)備等，線纜的偏擺易導(dǎo)致3Dmodeling;finiteelementanalysis吊物碰撞等引起故障。采用適當(dāng)變幅機(jī)構(gòu)可以減少海上測(cè)量收放過(guò)程中對(duì)起升線纜的長(zhǎng)度依賴，并且使得收放裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，降低制造成

6、本，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。表1起重機(jī)變幅形式與性能比較潮眠優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)懸胃式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單按體敢心依眼纜伸縮臂式工作范圍大、運(yùn)動(dòng)平檢體積較大、操作不靈活折臂為探作靈活、重心低、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜針對(duì)深水測(cè)量需求，測(cè)量設(shè)備收放裝置采用折臂式設(shè)計(jì)方案。甲板折臂式設(shè)備收放裝置設(shè)計(jì)過(guò)程包括：整體方案設(shè)計(jì)、變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及主要構(gòu)件有限元分析。1收放裝置整體設(shè)計(jì)方案根據(jù)任務(wù)要求，收放裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2。表2收放裝置技術(shù)參數(shù)參數(shù)數(shù)值測(cè)量沒(méi)備行效載荷/t1.0提升高度/m2.1變幅/m1.63.51.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理折臂式收放裝置設(shè)計(jì)中采用兩級(jí)變幅機(jī)構(gòu)，包括主變幅機(jī)構(gòu)與副變幅機(jī)構(gòu)，兩級(jí)變幅機(jī)構(gòu)均采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，折臂式裝置的機(jī)

7、構(gòu)原理如圖lo1.2三釵點(diǎn)的布置分析由吊臂、變幅油缸和主臂組成的變幅機(jī)構(gòu)中三校點(diǎn)布置對(duì)總體力學(xué)性能的影響很大，需要進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算吐3】。三釵點(diǎn)布置如圖2,48為液壓缸，主折疊臂的俯仰角為a,C點(diǎn)到4點(diǎn)的垂直距離為H,釵點(diǎn)B到釵點(diǎn)C的長(zhǎng)度為BC,為AB與4C的夾角。對(duì)主變幅機(jī)構(gòu)三釵點(diǎn)進(jìn)行受力分析，略去釵接副的摩擦，受力分析分析如圖3所示。對(duì)餃點(diǎn)C,平衡方程為：Ph=QLcosa+GBLBcosa-Se(1)式中：P為變幅油缸推力；方為油缸推力對(duì)吊臂釵點(diǎn)C的力臂；a為吊臂的仰角；L為吊臂的長(zhǎng)度；G&為吊臂的重量；&為吊臂的重心距C點(diǎn)的距離；，為起升繩的張力；e為隨。角而變的線纜到釵點(diǎn)C距離。由于

8、SeQLcosa,式(1)可簡(jiǎn)化為：Ph=QLcosa+GBLBcosa(2)式(2)表明，當(dāng)收放裝置的額定載荷Q確定后，油缸推力是仰角。和力臂力的函數(shù)。仰角a和力臂h是由變幅機(jī)構(gòu)三餃點(diǎn)構(gòu)成的三角形形狀決定，進(jìn)一步可由確定油缸推力P。圖3釵點(diǎn)布置及受力分析在液壓缸工作過(guò)程中，液壓缸的推力P到餃點(diǎn)C的力臂為方，當(dāng)仰角a=0時(shí)裝置對(duì)釵點(diǎn)C的力臂最大，此時(shí)液壓缸推力P與釵點(diǎn)C的力矩也應(yīng)到達(dá)最大值。P為油缸與釵點(diǎn)大C連線的夾角.則有：A=|4C|xsinA當(dāng)角b達(dá)到最大值時(shí)有人小商,此時(shí)裝置的末端到餃點(diǎn)C的距離最大。綜合考慮收放裝置的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)釵點(diǎn)與釵點(diǎn)C的水平距離為/,當(dāng)BC=I、仰角=0時(shí).油

9、缸刀8到被點(diǎn)C的距離最大。H的大小與液壓缸行程相關(guān),當(dāng)BC=/時(shí),起吊幅度達(dá)到最大，液壓缸的力臂長(zhǎng)度也達(dá)到最大值。1.3裝置的工作幅度設(shè)計(jì)計(jì)算收放裝置的結(jié)構(gòu)及主要尺寸如圖4所示。=A+右+4xsin(Q+Q)+(3)L4xsina+sin(a-(p)-L6式中：0為主折疊臂中侃、山的夾角；a為主折疊臂的仰角；9為主折登臂中心、J的夾角，L】L6分別為圖4中各節(jié)臂長(zhǎng)度。當(dāng)主折疊臂位于上極限位置、次折疊臂處于驍直狀態(tài)時(shí)，幅度R達(dá)到正常工作最小值：Rmn=xcos(0+a)+奴xcosa+乙5xcos(a-(p)(4)當(dāng)主折疊臂的仰角a=0且次折疊臂處于上極限位置時(shí)，幅度R達(dá)到工作最大值:=Lyxc

10、os+Z4+右xcoso+hxcos。(5)分別對(duì)各公式中的長(zhǎng)度和角度進(jìn)行初始賦值并進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，若計(jì)算長(zhǎng)度符合設(shè)計(jì)要求則終止迭代，若不符合則對(duì)數(shù)值進(jìn)行修正，直到能夠滿足設(shè)計(jì)要求。式中：Rmin為設(shè)計(jì)的最小工作幅度；Rnux為設(shè)計(jì)的最大工作幅度；Awx為實(shí)際最大工作幅度;&min為實(shí)際最小工作幅度；&為裝置變幅幅度。1.4液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算在受力分析中.伴隨著折疊臂的收縮和伸長(zhǎng)，主臂力瞥是不斷變化，當(dāng)裝置的幅度達(dá)到最大值時(shí)，起吊的設(shè)備對(duì)主臂餃點(diǎn)的力臂最長(zhǎng),液壓缸提供的轉(zhuǎn)矩也最大，此時(shí)吊機(jī)受力分析如圖5所示。對(duì)鉉點(diǎn)C有平衡方程：Gx*=PxhF、+P-G=0/0為K確定活塞桿的直徑和緩沖裝置，需確

11、定速比。設(shè)計(jì)適當(dāng)速比可避免產(chǎn)生過(guò)大的背壓或因活塞桿過(guò)細(xì)而導(dǎo)致穩(wěn)定性不好.速比選擇參考表3。表3液壓缸速比系數(shù)公稱壓力/MPa速比qW101.3312.5201.46-2。202因活塞桿屬細(xì)長(zhǎng)桿，壓桿失穩(wěn)是其主要破壞形式，液壓缸42(1015)4。由歐拉公式:FkPxnk(7)式中：入為活塞桿臨界失穩(wěn)壓力；&為最大允許計(jì)算長(zhǎng)度；為安全系數(shù)，根據(jù)API規(guī)范，船用起重設(shè)備取叫=106-71；E為材料的彈性模量；/為活塞桿橫截面的慣性矩。根據(jù)液壓缸工作時(shí)的實(shí)際情況，在達(dá)到極限位置時(shí)可計(jì)算出液壓缸的總體長(zhǎng)度L如圖6O當(dāng)液壓缸處于上極限位時(shí)其長(zhǎng)度最長(zhǎng)為AB2=y/AH2+B2H2AH=AE-HEB?H=C

12、E+CFCF=/?xcos-4HE=B2F=Rxsin以此可計(jì)算可選擇液壓缸型號(hào)。M,W1,ILgrt.112JMwM4,2Z1.N3.4M14.iK4nLMi.tllSmm,在設(shè)計(jì)允許范圍以內(nèi)，主折疊臂與輔助臂的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。2主要構(gòu)件三維建模及有限元分析以主變幅機(jī)構(gòu)中主折疊臂為例進(jìn)行建模及有限元分析，其三維模型如圖7所示。圖7主折點(diǎn)臂對(duì)主折疊臂及輔助臂裝配體進(jìn)行受力分析，選擇主折疊臂材料Q890D,分別在主臂與主折疊臂釵點(diǎn)、主臂液壓缸釵點(diǎn)、主折疊臂液壓缸釵點(diǎn)添加致鏈約束，對(duì)構(gòu)件整體施加載荷，實(shí)體網(wǎng)格，單元大小為20mm,單元總數(shù)為41531個(gè)，得到應(yīng)力求解結(jié)果如圖8所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，

13、在該裝配體中最大應(yīng)力bmax=84.98MPaV0=89MPa,最大位移出現(xiàn)在主折登臂與次折疊臂的釵點(diǎn)處，為1.13圖8主折疊臂應(yīng)力分布3結(jié)論深水測(cè)量設(shè)備甲板收放裝置采用折臂方式設(shè)計(jì)，用2個(gè)油缸驅(qū)動(dòng)變幅機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變幅，達(dá)到船舷外測(cè)量設(shè)備收放變幅及提升高度要求，實(shí)現(xiàn)裝置操控靈活的目的。設(shè)計(jì)過(guò)程包括方案設(shè)計(jì)、變幅機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算和主要構(gòu)件有限元分析。通過(guò)SolidWorksSimulation局部建模與仿真，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析，設(shè)計(jì)甲板收方裝置的主要構(gòu)件強(qiáng)度滿足API2C規(guī)范要求，該裝置設(shè)計(jì)工作幅度1.54mWRW3.58m,最大提升高度H=2.69m,滿足海上測(cè)量設(shè)備投放與回收工作要求。參考文獻(xiàn)：1 林承楨.懸霄式液壓起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)三皎點(diǎn)的布度分析J.工程機(jī)戚1981(7):10-15.2 車仁飲，胡長(zhǎng)勝.陸念力.隨車起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析(J.建筑機(jī)械.2005,17(3)：68-71.3 施云權(quán).變幅三皎點(diǎn)的實(shí)用設(shè)計(jì)(JJ.工程機(jī)械,1989