大型絞吸挖泥船鋼樁臺車固樁夾具設計研究

陶　鵬， 丁金鴻， 楊　啟， 馮永軍， 甄義省， 曾凌飛

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院， 上海 200240；2.中國鐵建港航局有限公司， 廣東 珠海519000)

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大型絞吸挖泥船鋼樁臺車固樁夾具設計研究

陶鵬1， 丁金鴻1， 楊啟1， 馮永軍1， 甄義省2， 曾凌飛2

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院， 上海 200240；2.中國鐵建港航局有限公司， 廣東 珠海519000)

鋼樁臺車系統(tǒng)是目前大型絞吸挖泥船非常重要的一種定位系統(tǒng)。絞吸挖泥船在施工作業(yè)時，鋼樁的升降是一種出現(xiàn)比較頻繁的工況，而固樁夾具是鋼樁臺車升降系統(tǒng)的關鍵部件，其可靠與否將直接影響整個臺車系統(tǒng)的安全性。該文以重型固樁夾具設計為研究目標，通過夾持力計算模型確定夾具固定鋼樁所需的最小油缸拉力，利用非線性有限元分析方法對固樁夾具的工作過程進行仿真計算分析，并對其結構強度及應力分布規(guī)律進行討論，研究結果可為類似的夾具設計提供參考。

鋼樁臺車；固樁夾具；運動分析；非線性有限元

0　引言

目前，絞吸挖泥船的定位方式主要有兩種:一種為三纜定位；另一種是鋼樁臺車定位[1，2]。由于三纜定位在工作狀態(tài)時，三根纜繩的柔性系數(shù)過大，船舶容易出現(xiàn)小范圍漂移，導致絞刀很難精確定位與挖掘。因此，現(xiàn)有大型絞吸挖泥船大多采用鋼樁臺車的定位方式[3]，它可以在較大的風浪中作業(yè)，而且可靠性好、精度高，圖1為鋼樁臺車定位方式的工作流程圖。比較常用的鋼樁升降方式主要有兩種：一種是絞車加鋼絲繩的方式；另一種是油缸加夾具的方式。天鯨號和Athena/Artemis等多條大型絞吸挖泥船在鋼樁升降方式上采用的是油缸加夾具的提升方式，與其他升降方式相比活動部件較少，可靠性較好，起升效率較高，整體結構也比較簡單，因此，在絞吸挖泥船上的應用遠比絞車加鋼絲繩的方式更為普遍。

在夾具固定式的鋼樁升降系統(tǒng)中，固樁夾具裝置是其中的一個關鍵部件[4]，其工作狀態(tài)直接影響臺車系統(tǒng)的安全性和可靠性，如圖1所示。紐曼公司于20世紀80年代開發(fā)了“新型定位樁升降系統(tǒng)——環(huán)扣板系統(tǒng)”并申請專利，已有30余年的使用歷史。國內708所早在20世紀60年代也曾設計過與此類似夾具裝置并成功應用到小型絞吸挖泥船上[5]，但在大型絞吸挖泥船上會面臨夾持力不足而出現(xiàn)打滑及磨損嚴重的問題。HINOKIYOSH在2001年也曾提出過一種既可以提升又可以固定鋼樁的夾具裝置，但是該裝置提升滾輪所能提供的提升能力有限，可靠性較低。隨著國內大型絞吸式挖泥船的發(fā)展需要，結合國內外夾具設計經(jīng)驗，上海交通大學船舶設計所也設計了一種液壓油缸驅動、帶可換摩擦帶的重型鋼樁夾具，它很好地解決了夾具夾持能力不足的問題，并且大大提高了鋼樁與夾具的使用壽命[6]。

圖1　臺車系統(tǒng)工作原理

目前，國內設計單位往往根據(jù)經(jīng)驗或者是簡單的線性靜力學分析來進行中小型絞吸挖泥船的夾具設計，尚未利用有限元等方法來研究夾具夾持力和結構強度及其應力分布之間的規(guī)律，也沒有考慮部件之間的接觸等非線性因素。當絞吸船大型化以后，樁及泥水的重量即所需的夾持力大幅增加的情況下，如何合理設計夾具結構和夾緊油缸，既要提供足夠的夾持力，又不至于選用過大的油缸造成浪費，既要保證結構強度不被破壞，又不會過度加強結構而導致增加升降系統(tǒng)的重量已成為一個非常重要的問題。為此，該文將以重型絞吸挖泥船的固樁夾具設計為研究目標，首先對其進行了參數(shù)設計，隨后利用非線性有限元方法對其進行仿真計算分析,并對其結構強度及應力分布規(guī)律進行了討論。

1　固樁夾具型式

該文所研究的固樁夾具幾何模型如圖2所示。夾具分為由2個油缸連接的左右兩部分，并布置摩擦帶與限位裝置，左右兩部分又可各自分為通過上下耳板依靠軸銷連接的前后兩部分，從而形成四個形狀相似且位置對稱的曲臂結構。四個曲臂聯(lián)接成一個內圓外方的夾具，能保證夾緊鋼樁時受力均勻，同時產(chǎn)生比較大的總正壓力，并能可靠地夾住鋼樁。

在四個曲臂內，與鋼樁接觸側的上下端各設置一條摩擦帶。當夾緊鋼樁時，夾具的內圓摩擦帶與鋼樁外形一致，緊密配合。為避免夾具摩擦帶端部的應力集中，在摩擦帶端部作了削斜處理[6]。

圖3為夾具的抱緊工況，此時油缸活塞桿收縮，夾具的左右兩半被拉近并一起抱緊鋼樁，通過夾具與鋼樁之間的磨擦力保持鋼樁不會由于自重下降。

圖4為夾具的釋放工況，此時油缸活塞桿伸長，夾具的左右兩半被推離鋼樁，使夾具和鋼樁保持一定的較均勻間隙，鋼樁能在夾具中間自由上升或下降。

圖2　固樁夾具結構圖

圖3　夾具夾緊工況

圖4　夾具釋放工況

2　夾持力計算

固樁夾具在設計過程中比較重要的一點是能否提供足夠的夾持力，夾具夾持力由油缸拉力產(chǎn)生，因此合理設計油缸參數(shù)顯得尤為重要，油缸過大則造成浪費，對鋼樁與夾具結構強度也不利，油缸過小又不能提供所需的固樁力。根據(jù)夾具力學模型建立油缸拉力與夾具固樁能力之間的數(shù)學關系，為油缸優(yōu)化選型提供基本的理論與方法。

各夾具曲臂與鋼樁接觸過程相似，該文僅取出1/4固樁夾具接觸模型建立夾具力學模型，如圖5、圖6所示。根據(jù)夾具曲臂與鋼樁的接觸作用方式并結合接觸分析結果，假定夾具曲臂與鋼樁之間的接觸面正壓力符合圖6所示的分布力形式，右側夾具曲臂通過軸銷對左側夾具曲臂的約束作用看成是鉸支座。

在圖6所示的XOY坐標系中：qr(θ)為鋼樁表面正壓力，Qr為其合力，Qrx與Qry分別為Qr在坐標系中的X向與Y向分量；F為油缸所需最小工作拉力；fx與fy為鉸支座作用力；R為鋼樁半徑，等于D/2；d1與d2分別為軸銷作用點與鋼樁之間的距離，一般為0.7R與0.3R；θ為qr(θ)與X軸正方向的夾角；φ為Qr與X軸正方向的夾角；μ為摩擦系數(shù)；γ為載荷密度系數(shù)。

圖5　鋼樁夾具接觸模型

圖6　鋼樁夾具力學模型

對夾具進行受力分析，可列出力的平衡方程：

(1)

(2)

由(1)式可知：Qry=|Qrx|=0.3γRa

(2) 四個夾具曲臂所能提供的總摩擦力：

(3)

式中：T為固樁夾具所需固樁能力。

(3) 綜上可以確定油缸拉力與夾持力(摩擦帶固樁摩擦力)之間的關系，則油缸工作拉力F必須滿足：

(4)

式中：F為油缸工作拉力；摩擦系數(shù)根據(jù)摩擦帶材料確定，摩擦帶通常采用鑄鐵材料，它適應性、耐磨性與抗沖擊性能較好。

(4) 根據(jù)最小油缸拉力確定設計油缸參數(shù)。從式(4)可以看出，為保證夾具固樁力要求，一方面可以增大油缸設計拉力，另一方面可以從改進摩擦帶材料出發(fā)。

3　有限元建模

建立某大型絞吸船重型固樁夾具的有限元模型，利用非線性有限元方法對其夾緊過程中夾持力、結構強度以及應力分布情況進行計算分析。計算時采用非線性接觸算法，比起直接用mpc或其它邊界條件更接近真實情況。通過動態(tài)接觸分析可以模擬夾具夾緊作業(yè)過程中的應力變化。

建立模型坐標系與船體右手笛卡爾坐標系保持一致，X軸指向船首方向，Z軸指向型深方向，如圖7所示。夾具主體模型即夾具曲臂分為四部分，分別記為左1、左2、右1、右2；夾具各部分以及和油缸之間通過軸銷連接，共計6個軸銷，分別記為軸1～軸6，如圖7、圖8所示。由于多個部件之間存在接觸關系，如夾具與鋼樁之間以及各軸銷與曲臂之間均存在接觸，而非線性接觸計算需要較好的系統(tǒng)軟硬件資源以及較長的計算時間，為提高計算效率，將不參與結構強度的部件進行簡化和省略，焊接連接的部件作為整體進行建模，接觸部件分開建模。根據(jù)各部件實際接觸關系，合理設置接觸對類型及相關參數(shù)。

圖7　固樁夾具幾何模型

圖8　固樁夾具軸銷

在有限元網(wǎng)格劃分過程中需要注意的是在軸銷及摩擦帶等局部應力集中區(qū)域需要進行網(wǎng)格細化，有利于提高局部應力計算精度。為保證鋼樁固定位置，在鋼樁上下兩端添加固定約束，同時約束住夾具曲臂間軸銷沿鋼樁的軸向位移，防止軸銷在接觸過程中脫出。此外，為提高接觸計算效率與收斂精度，在開始計算前即讓各接觸面接觸上。

4　算例與結果分析

4.1計算實例

該文以一艘大型絞吸式挖泥船固樁夾具設計過程為例，基本設計參數(shù)如下：鋼樁直徑為2.2 m，鋼樁及其附連泥水重量為320 t，單條摩擦帶高度值為150 mm。

在此基礎上對夾具三維模型進行網(wǎng)格劃分，采用六面體實體單元進行模擬，為保證摩擦帶在高度方向至少有4個網(wǎng)格，全局網(wǎng)格尺寸定義為40 mm。節(jié)點總數(shù)為56 888個，單元總數(shù)為36 918個，固樁夾具與鋼樁有限元模型如圖9所示，固樁夾具有限元(內部)模型如圖10所示。

圖9　固樁夾具與鋼樁有限元模型

圖10　固樁夾具有限元模型(內部)

夾具和鋼樁均采用鋼材，楊氏彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，質量密度為ρ=7.85×103kg/m3。

由夾持力計算模型可知,油缸所需工作拉力應不小于380.8 t(即3 735.65 kN)，有限元計算時，考慮一定的裕度試取油缸工作拉力F=3 927 kN。

在夾具夾緊釋放工況下，載荷邊界條件根據(jù)油缸工作拉力F進行施加。在固樁夾具與油缸相連的4根軸銷上分別施加作用力，大小均為3 927 kN，方向與夾具夾緊方向一致，載荷與約束施加如圖11所示。

圖11　載荷與約束施加

4.2計算結果與分析

整個計算時長為60 s，圖12為單條摩擦帶沿其圓周的法向壓應力分布情況，沿夾具曲臂45°方向近似服從拋物線分布。根據(jù)摩擦帶法向應力計算結果統(tǒng)計可知,固樁夾具所能提供的摩擦力為3.492×106N(356 t>320 t)，能夠滿足鋼樁升降作業(yè)的需求，同時也表明油缸工作拉力試取合理。

圖12　單條摩擦帶法向壓應力分布

圖13～圖17為夾具結構在各時間段的相當應力云圖，從計算結果可以看出，夾具結構最大應力值為253.85 MPa，主要分布在摩擦帶及軸銷附近。

由圖15、圖17可知，摩擦帶與鋼樁接觸區(qū)域相當應力值較大。由圖16可知，軸5與軸6端部由于承受著夾具曲臂上下耳板對其較大的剪切載荷作用而導致應力值偏大。夾具曲臂內部的其它軸銷由于受到油缸拉力的集中載荷作用而導致應力值偏大。由圖17也可知，夾具曲臂內圓除摩擦帶附近應力值并不是很大，夾具曲臂整體應力水平不高。

同時，夾具的四個曲臂在應力應變分布規(guī)律上近乎一致，鋼樁表面受力也較為均勻，因此可以判斷夾具與鋼樁接觸良好，夾具曲臂通過油缸設計拉力可以很好地夾緊鋼樁。

根據(jù)以上計算結果，可以看到夾具裝置的最大應力和最大變形均滿足結構強度的要求，且在滿足夾具固樁力的基礎上不造成結構冗余復雜。以該設計為例，由于固樁夾具在夾緊釋放過程中需承受交變應力作用，夾具曲臂應力值局部偏大會影響固樁夾具整體的疲勞壽命，因此在夾具結構形式不變的前提下，在設計中可對固樁夾具所用材料及其尺度參數(shù)做出一些改進。此外，夾具摩擦帶應力值偏大會影響摩擦帶的使用壽命，由于該裝置可更換摩擦帶，因此對于整個裝置的影響并不是很大。

圖13　20 s相當應力云圖

圖14　40 s相當應力云圖

圖15　60 s相當應力云圖

圖16　60 s相當應力云圖(局部)

圖17　60 s相當應力云圖(內部)

圖18～圖20為夾具結構在各時間段的變形云圖，最大變形值為1.928 mm，主要位于夾具曲臂45°方向端部靠近軸銷處，變形值不大。

圖19　40 s變形云圖

圖20　60 s變形云圖

5　結論

該文研究并討論了大型絞吸船重型固樁夾具的一般設計過程，建立了鋼樁夾持力的理論計算模型，并通過非線性有限元仿真過程研究了夾具夾緊釋放過程中的應力應變分布及其變化規(guī)律。有限元計算結果也驗證了夾持力理論計算模型的合理性，同時夾持力計算模型對于油缸優(yōu)化選型與夾具優(yōu)化設計都具有一定意義。從接觸仿真結果來看，在夾緊過程中夾具能夠提供所需的固樁力，并且夾具的應力與應變始終處于結構強度所允許的范圍內。

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Research and Design of Holding Spud Clamp for Spud Carrier of Large Cutter Suction Dredger

TAO Peng1, DING Jin-hong1, YANG Qi1, FENG Yong-jun1,ZHEN Yi-sheng2, ZENG Ling-fei2

(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. China Railway Port Bureau Group Co.， Ltd, Guangdong Zhuhai 51900, China)

Spud carrier system is a very important positioning system of large cutter suction dredger. Spud′s lifting and dropping are relatively frequent operations in the working process of cutter suction dredger, and the holding spud clamp is the key component of the spud carrier′s lifting and dropping system, and its reliability will directly affect the safety of the spud carrier system. With the target of the design of heavy holding spud clamp, determine the minimum cylinder force required by the clamp through calculation model of holding force; Then with the help of the finite element method, the3D model was built, the operation process was simulated with the discussion of the structure strength and stress analysis.The paper′s result could bring a reference for the similar design of these holding spud clamps.

spud carrier; holding spud clamp; kinematic analysis; nonlinear finite element

2015-18-04

高等學校博士學科點專項科研基金新教師類資助課題(20120073120014)，國家自然科學基金項目(51179104)，工信部高技術船舶科研計劃項目(工信部聯(lián)裝[2011]531號)。

陶鵬(1991-)，男，碩士研究生。

1001-4500(2016)04-0007-07

U664

A