海洋鋪管船用張緊器履帶機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

孫 亮，張仕民，楊樹松

（1.中石化石油工程建設(shè)有限公司，北京100101；2.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)電工程學(xué)院，北京102249；3.渤海石油裝備制造有限公司 研究院，天津300280）＊

目前，我國海洋深水鋪管船用張緊器相關(guān)技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)還處于起步階段，經(jīng)過對(duì)國外技術(shù)詳細(xì)調(diào)研和三維模型設(shè)計(jì)，已完成了張緊器的整體設(shè)計(jì)和張緊器內(nèi)懸架的設(shè)計(jì)與分析［1－3］。船用張緊器履帶機(jī)構(gòu)模型如圖1所示，由于張緊器的履帶機(jī)構(gòu)與履帶式工程機(jī)械底盤差別很大，不能照搬履帶式機(jī)械行走機(jī)構(gòu)的理論來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。本文在借鑒履帶式機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)理論的基礎(chǔ)上，對(duì)張緊器的履帶機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

圖1 船用張緊器履帶機(jī)構(gòu)模型

1 履帶的簡化和各段名稱

張緊器履帶機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中的履帶，不是實(shí)際的真實(shí)履帶，而是一種簡化了的履帶。這種簡化的履帶是1條不可拉伸、無質(zhì)量、無厚度、閉合的柔性帶。由于履帶是1條閉合的柔性帶，所以其形狀取決于張緊器驅(qū)動(dòng)輪、引導(dǎo)輪、支重輪、托帶輪的相互位置和各輪半徑的大小［4］。為了便于說明履帶運(yùn)行原理，可將履帶分成幾個(gè)區(qū)段（如圖2所示）：1～3稱為驅(qū)動(dòng)段；4～7稱為上支段；8～10稱為前方區(qū)段；10～1為下支段。

圖2 履帶各段名稱及運(yùn)動(dòng)原理

2 運(yùn)動(dòng)原理

如圖2所示，張緊器履帶機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在驅(qū)動(dòng)力矩Mk作用下，驅(qū)動(dòng)段內(nèi)產(chǎn)生拉力Ft，F(xiàn)t的大小等于驅(qū)動(dòng)力矩MK與驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力半徑rk之比，即Ft＝。拉力F是內(nèi)力，它力圖把履帶下支段從支重t輪下拉出，致使管子表面對(duì)下支段的履帶板產(chǎn)生水平反作用力。這些反作用力的合力Fk稱作履帶機(jī)構(gòu)的切線阻力。

為了分析切線阻力Fk是如何傳到履帶機(jī)構(gòu)機(jī)體上的，可在驅(qū)動(dòng)輪軸上加2個(gè)大小相等、方向相反的力Ft，如圖3所示。其中一個(gè)力與驅(qū)動(dòng)段內(nèi)拉力Ft形成力偶，其值等于驅(qū)動(dòng)力矩Mk；另一個(gè)力則可分解成平行和垂直于管子表面的2個(gè)分力和其中＝Ftcosα。同理，將作用在后支重輪上的2個(gè)力都分別移到該支重輪軸線上，結(jié)果得到1個(gè)合力F∑。將合力F∑分解成分別與管道軸向平行或垂直的2個(gè)分力和，而＝Fk－Ftcosα。作用在履帶系統(tǒng)上的力應(yīng)該是與之和，即

實(shí)際上，因?yàn)槁膸тN和銷孔間有摩擦，故Fk比Ft要小些［5］。

圖3 履帶切線阻力的傳遞

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

張緊器履帶機(jī)構(gòu)夾持并鋪設(shè)管道的工作過程中，履帶要作復(fù)合運(yùn)動(dòng)。它一方面相對(duì)于管道作直線運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)速度是相對(duì)速度，以vq表示；另一方面，履帶又要作相對(duì)于履帶機(jī)體的繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以vx表示。履帶上某一點(diǎn)的絕對(duì)速度用vj表示，vq、vx和vj間的向量關(guān)系為

履帶上各點(diǎn)的速度如圖4所示。由圖4可知，履帶上不同點(diǎn)的速度是不同的。當(dāng)vq和vx不在同一直線上其夾角為α?xí)r，履帶上某點(diǎn)的絕對(duì)速度的代數(shù)式可表示為

圖4 履帶上各點(diǎn)的速度

當(dāng)上支段為水平直線時(shí)，vq和vx的夾角α＝0°，式（2）變?yōu)?/p>

當(dāng)下支段為水平直線時(shí)，vq和vx的夾角α＝180°，式（2）變?yōu)?/p>

履帶與管道接觸的下支段是研究的重點(diǎn)，vq和vx的相互關(guān)系可分為以下4種情況：

1） 當(dāng)vq＝vx時(shí)，由式（4）得vj＝0，說明履帶與管道接觸段的絕對(duì)速度等于零，履帶是靜止不動(dòng)的。

2） 當(dāng)vq＜vx時(shí)，由式（4）得vj＝vq－vx＜0，說明履帶與管道接觸段的絕對(duì)速度小于零，為負(fù)值，即其絕對(duì)速度方向和履帶機(jī)構(gòu)相對(duì)管道運(yùn)動(dòng)方向相反。這種情況叫做履帶接地段的滑轉(zhuǎn)，張緊器正常工作時(shí)，其與管道接觸的下支段都會(huì)產(chǎn)生部分滑轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3） 當(dāng)vq＞vx時(shí)，由式（4）得vj＝vq－vx＞0，說明履帶與管道接觸段的絕對(duì)速度大于零，為正值，即其絕對(duì)速度方向和履帶機(jī)構(gòu)相對(duì)管道運(yùn)動(dòng)方向相同。這種情況叫做履帶下支段的滑移，張緊器制動(dòng)時(shí)，其下支段就會(huì)產(chǎn)生部分滑移運(yùn)動(dòng)。

4） 當(dāng)vq＝0，vx＞0時(shí)，由式（4）得vj＝－vx＜0，說明履帶與管道的接觸段的絕對(duì)速度小于零，為負(fù)值，履帶相對(duì)機(jī)體空轉(zhuǎn)，張緊器履帶并未接觸管道或接觸管道后未能拖動(dòng)管道。這種情況是完全滑轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也叫打滑。

滑轉(zhuǎn)和滑移的大小通常用滑轉(zhuǎn)系數(shù)表示，是指接地段的滑轉(zhuǎn)速度（vx－vq）和繞轉(zhuǎn)速度vx之比，以σ表示，即

在張緊器夾持管道正常的鋪管作業(yè)中，有vq＜vx，由式（5）可知0＜σ＜1，這時(shí)履帶與管道接觸的下支段產(chǎn)生部分滑轉(zhuǎn)，這屬于履帶機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行階段。則履帶的實(shí)際運(yùn)行速度vs為

在張緊器夾持管道進(jìn)行鋪管作業(yè)中，若履帶與管道表面之間無滑轉(zhuǎn)時(shí)，即σ＝0，則履帶的運(yùn)行速度就等于鏈輪與鏈軌傳動(dòng)時(shí)節(jié)圓的圓周速度，這時(shí)的履帶運(yùn)行速度即為理論速度vT。即

式中：l0為鏈軌節(jié)銷孔的中心距離，m；z為驅(qū)動(dòng)鏈輪的嚙合齒數(shù)；ωk為驅(qū)動(dòng)鏈輪角速度，rad／s；n為驅(qū)動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)速，r／min。

綜上所述，履帶的實(shí)際運(yùn)行速度即為履帶機(jī)構(gòu)拖動(dòng)管道進(jìn)行鋪管作業(yè)的實(shí)際速度，可用式（6）表示［4，6－7］。

4 結(jié)語

對(duì)海洋鋪管船用張緊器履帶機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析，并介紹了履帶的簡化方法和各段的名稱。在借鑒履帶機(jī)構(gòu)的基本理論基礎(chǔ)上，給出了張緊器履帶機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，并對(duì)履帶機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。對(duì)其他規(guī)格張緊器履帶機(jī)構(gòu)的分析有借鑒意義。

［1］曾 鳴，孫 亮，鐘朝廷，等.海洋鋪管船用張緊器內(nèi)懸架的設(shè)計(jì)與分析［J］.石油礦場機(jī)械，2010，39（6）：32－35.

［2］楊 偉，葉 茂，何 寧，等.深水海底管道J型鋪設(shè)工藝及設(shè)備研究［J］.石油礦場機(jī)械，2013，42（1）：14－20.

［3］何 寧，徐崇崴，段夢蘭，等.J型鋪管法研究進(jìn)展［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（3）：63－67.

［4］閆清東.坦克構(gòu)造與設(shè)計(jì)（下冊(cè)）［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2007：74－78.

［5］吳永平，姚懷新.工程機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：人民交通出版社，2005：23－24.

［6］秦四成.工程機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2003：46－48.

［7］Gianni Ferretti，Roberto Girelli.Modelling and simulation of an agricultural tracked vehicle［J］.Journal of Terranmechanics，1999，36：139－158.