轮机工程硕士论文-大型绞吸式挖泥船绞刀轴校中与振动计算分析研究.pdf

武汉理工大学 硕士学位论文 大型绞吸式挖泥船绞刀轴校中与振动计算分析研究 姓名：梅欢 申请学位级别：硕士 专业：轮机工程 指导教师：周瑞平 20090501 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 我国江河湖库众多，海域辽阔，需要进行不断的整治、清理淤泥和流沙工 作。挖泥船作为用于水利清淤、河道治理、航道疏浚、环保清污、水域吹填、 岛屿建设及市政建设等水下开挖输送施工、水域工程治理的主要设备，具有广 阔的市场。大型绞吸式挖泥船是一种常用的清淤疏浚工具，其核心部件之一是 切削系统。传动轴系是切削系统必不可少的一部分，因此传动轴系的计算分析 对绞吸式挖泥船的设计和制造有着重要的指导意义。轴系的校中和振动计算是 设计和安装阶段所必须的。目前，对轴系的振动与校中计算主要是针对推进轴 系的，还很少有传动轴系的振动与校中计算。本文应用有限元法研究了绞吸式 挖泥船绞刀传动轴振动与校中计算方法，为挖泥船的设计和制造提供参考。 本文以某4 5 0 0 m 3 h 绞吸式挖泥船为例，在对绞刀受力和桥架变形的进行分 析后，对绞刀传动轴系作了轴系校中和振动计算分析研究、。 全文共分六章，第一章对本文研究领域的历史和发展状况进行了综述，并 介绍了本文的研究目标和研究内容。 第二章从绞刀的p r o e 三维造型入手，应用变截面扫描创建了绞刀模型， 将二维平板切削理论应用于绞刀的受力分析，分析了绞刀切削过程，确定了轴 系的载荷。 第三章对桥架进行了建模，分析了桥架的载荷，应用有限元软件对桥架在 不同工况下的受力作了分析并计算了各工况下的变形。 第四章首先介绍了当前轴系校中常用的方法，分析了轴系校中的影响因素， 对轴系在不同边界条件和工作环境下的校中作了计算分析，并进行了实际测试， 检验了所用方法的合理性。 第五章分析了轴系振动的形式，介绍了当前轴系振动的计算方法，以及有 限元法求解振动问题的基本原理。对轴系在不同边界条件和工作环境下的振动 计算分析，以及影响振动计算因素分析。 第六章总结了本文的主要工作，并针对存在的问题，为下一步的工作提出 展望。 关键词：绞吸式挖泥船，绞刀轴系，绞刀，振动，校中，有限元 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r em a n yr i v e r sa n dl a k e s ，w i d e l ys e aa r e ai no u rn a t i o n m a n yo ft h e m n e e dt ob ed e a nu pm u da n dq u i c k s a n d d r e d g e r sa r ew i d e l yu s e di nt h em a n yf i e l d s , s u c ha ss o i lr e m o v a la n dt r a n s p o r t a t i o n , d y e r sa n dp o r t sc l e a n i n gu p ，i s l e t s c o n s t r u c t i o n , e r e t h i sl ( i 1 1 do fs h i ph a sa ne x p a n s i v em a r k e td e m a n d i n g , e s p e c i a l l y t h e r ea l ed r e d g i n gw o r k si nc h i n ar i g h tn o w ac u t t e rs u c t i o nd r e d g e ri sak i n do f d r e d g e rc o m m o n l yu s e di nd r e d g i n g i t sk e yd e v i c ei st h ec u t t e r h e a du s e dt oc u t s o i l su n d e rw a t e r 田地t r a n s m i s s i o ns h a f t i n gi sa b s o l u t en e c e s s a r i l yc o m p o n e n t t h e r e f o r e ，t h ec a l c u l a t i o no ft r a n s m i s s i o ns h a f t i n gi ss i g n i f i c a n tf o rc u t t e rs u c t i o n d r e d g e r , d e s i g na n dm a n u f a c t u r e t h ec a l c u l a t i o no fs h a f t i n ga l i g n m e n ta n dv i b r a t i o n i sn e c e s s a r yd u r i n gt h ep e r i o do fs h a f t i n gd e s i g na n ds e t u p a tp r e s e n t , t h e c a l c u l a t i o no fs h a f ti sm o s t l yf o rp r o p e ls h a f tb u tl i t t e rf o rt r a n s m i s s i o ns h a f t i n g t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e sc u t t e rs u c t i o nd r e d g e rt r a n s m i s s i o ns h ma l i g n m e n ta n d v i b r a t i o nc a l c u l a t i o na n do f f e r e dr e f e r e n c ef o rc u r e rs u c t i o nd r e d g e r t i l i s a r t i c l et a k e s4 5 0 0 m hc u t t e rs u c t i o nd r e d g e rf o re x a m p l e , c a l c u l a t e st h e c u t t e rt r a n s m i s s i o ns h a r i n ga l i g n m e n ta n dv i b m t i o nb a s eo nt h ea n a l y s i so f c u t t c r h e a da n db r i d g e t h e r ea r es i xc h a p t e r si nt h i sa r t i c l e i nt h ef i r s tc h a p t e r , s u m m a r i z e st h eh i s t o r y a n dd e v e l o p m e n ts t a t u so fr e s e a r c hd o m a i n , a n di n t r o d u c e st h ea i ma n dc o n t e n to f t h er e s e a r c h s e c o n d , s t a l t s 埘吐ls e t t i n gu pt h e r e d i m e n s i o n a lm o d e l i n go fc u t t e r h e a d 、析t 1 1 p r 0 e ，s e t u pt h em o d e lo fc u t t e r h e a dw i t ht h ew a yo fn o np r i s m a t i cs w e e p i n g ， a p p l i e st h et w o - d i m e n s i o n a ls o i l - c u t t i n gt o t h ea n a l y s i so ft h ec u t t m gf o r c e so f c u t t e r h e a d ，a n a l y z e st h ep r o c e s so fc u t t i n ga n dc o n f i r m su n l o a d s t h i r d ，s e t u pt h em o d e lo f t h eb r i d g e ，a n a l y z et h el o a d i n go ft h eb r i d g e ，c a l c u l a t e s t h ed e f e r m e n t s o ft h eb r i d g ei nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s f o u r t h , f i r s ti n t r o d u c e st h ew a yo fs h a f ta l i g n m e n tc a l c u l a t i o n ，a n a l y z e ss h a f t a l i g n m e n tc a l c u l a t i o ni nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s n 武汉理工大学硕士学位论文 f i f t h , a n a l y s i st h ef o r mo fs h a f tv i b r a t i o n , i n t r o d u c e st h ep a r e n tw a yo fs h a f t v i b r a t i o nc a l c u l a t i o na n dt h ek e y s t o n eo ff e m ，t h es h a f tv i b r a t i o nc a l c u l a t i o ni n d i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n dt h ef a c t o ro fi n f e c t i o n i nt h el a s tc h a p t e r ，s u n u n a r i z e st h er e s e a r c hf i n d i n g sa n dt h ep e r t i n e n tp r o b l e m s ， a n dh a v i n ga p r o s p e c to hf u t u r ew o r k k e yw o r d s ：c u t t e rs u c t i o n & e d g e r , c u t t e rs h a f t i n g , c u t t e r h e a d , v i b r a t i o n ，a l i g n m e n t , f i n i t ed e r n e n tm e t h o d 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。本 人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位 论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库 使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 晔隅罕 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景和研究意义 我国江河湖库众多，长江、黄河、淮河、海河、钱塘江等水系发达，内河 航道总里程约1 2 0 0 0 0 k m ，还拥有6 0 0 0 多个岛屿，1 8 0 0 0 k m 大陆海岸线和 1 4 0 0 0 k m 岛屿岸线，这些资源既为水利和水运建设提供了有利条件，也为疏浚 业发展提供了巨大的市场需求【m 】。除了海军系统，目前概貌是：交通系统拥有 大中型的疏浚设备，以耙吸式和绞吸式挖泥船为主，数量不多但分布相对集中， 疏浚能力强大；水利系统则以中小型挖泥船居多，且各种类型应有尽有，数量 庞大，分布在全国各地。据统计，我国现有生产率在8 0m 3 h 以上的各类挖泥 船共有6 0 0 多艘，年疏浚能力3 亿l n 3 ，列世界第6 位【3 】【4 】。 进入2 1 世纪，随着我国经济的持续快速增长，特别是在加入w t o 之后， 对外贸易高速发展，我国沿海港口吞吐量迅速增长，所以，与此相应的港口航 道和港池水深需要不断浚深，吹填造陆工程也越来越多。从当前沿海港口规划 和工程进展来看，疏浚工程量呈进一步扩大之势，疏浚工程面临广阔的市场。 挖泥船作为用于水利清淤、河道治理、航道疏浚、环保清污、水域吹填、 岛屿建设及市政建设等水下开挖输送施工、水域工程治理的主要设备，具有广 阔的市场。中国和国外，尤其在低洼、水域丰富( 或贫乏) 的国家多年来在疏 浚技术及挖泥船方面获得了长足发展。可以预见，未来几年挖泥船将有良好的 发展势头。 绞吸式挖泥船就是各类挖泥船中应用较为广泛的一种，它是装备了切削设 备( 绞刀头) 的挖泥船。其优点是可以用来挖掘近乎所有类型的土壤，它可以 一次连续完成挖泥、运泥、卸泥等工作过程，是一种效率高、成本低的挖泥船， 是良好的水下挖掘机械。具有较大的需求量。 对于绞吸式挖泥船而言，疏浚设备是其核心，而桥架系统则是其最主要的 设备之一，它包括绞刀、桥架、耳轴以及桥架支撑结构等。由于绞吸式挖泥船 工作的复杂性以及设备配置的差异，而国内外对这方面的研究工作还不多，也 没有合理的规范规则对此做出要求，所以这方面的很多设备在实际使用过程中 武汉理工大学硕士学位论文 都会出现问题。因此有必要对这一船型进行深刻细致的研究。 国内一些研究所最近几年开发设计了许多大型绞吸式挖泥船，通过不断的 探索与实践，在绞吸式挖泥船的设计开发上取得了一定的进步。 但现行的绞吸式挖泥船的设计还存在许多需要进一步深入研究的问题： 1 ) 由于工况复杂，难以确定绞刀所受到的外载荷； 2 ) 针对桥架系统这一特殊的施工设备，由于其所受外载荷比较复杂，也缺 少深入的研究，故而也不能对其进行有效的结构优化设计； 3 ) 现行的绞吸式挖泥船的轴系设计工作无明确规范可以查询。很多工作都 要依靠经验进行，有很大不可靠性，因此与实际有较大差别。 通过对绞刀、桥架受力分析和计算，用有限元方法来较真实的模拟绞吸式 挖泥船的轴系相关的结构，分析得到轴系各轴承载荷及轴系弯矩、剪力曲线， 并对结构进行优化设计，为实践中轴系校中和振动计算提供参考。 1 2 绞吸式挖泥船的发展、性能及构成系统 1 2 1 绞吸式挖泥船的发展 绞吸式挖泥船源于美国并获得及极其广泛的应用，1 9 世纪末2 0 世纪初绞 吸式挖泥船迅速发展，例如1 8 9 6 年芝加哥美洲疏浚公司建造的“b e t a “ 号绞吸 式挖泥船，吃水深度1 9 5 m ，有2 个独立泥泵，吸管直径8 5 0 m m ，是当时最大 的挖泥船。后来，1 9 7 7 年第l 艘自航绞吸式挖泥船诞生；1 9 8 6 年比利时杨德鲁 公司研制成功了“l e o n a r d o d a v i n e i ”号自航绞吸挖泥船，总装机容量2 0 2 5 0 k w ， ，计算机控制的自动化系统可使挖泥船操控达到最佳状态：十年后，被挖泥船制造 业巨人荷兰i h c 公司建造的“m a s h h o u r 号取代，总功率达到2 2 7 9 5 k w ；2 0 0 3 年7 月，i h c 公司建造的自航绞吸式挖泥船“j f j d e n u l “ 号总装机容量为 2 7 1 9 0 k w ，绞刀功率达到6 0 0 0 l ( w ，水下泵为3 8 0 0 k w ，总长1 2 4 4 m ，宽2 7 8 m ， 吃水6 5 m ，最大挖深3 5 m ，吸泥管直径1 0 0 0 m m ，一系列数字鲜明的表示出绞 吸式挖泥船的世界水平不断提高，记录不断被刷新【5 】。【。7 1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 1 荷兰i h c 公司制造的m a s h h o u r 号 世界上著名的绞吸式挖泥船生产商当首推荷兰的i h c 公司。该公司生产的 挖泥船占世界挖泥船市场份额的5 0 。1 9 6 3 年，i h c 公司推出海狸系列标准型 绞吸式和斗轮式挖泥船，已有6 0 0 多艘交付使用。海狸系列的规格有3 0 0 、6 0 0 、 1 2 0 0 、1 6 0 0 、2 4 0 0 、3 8 0 9 、4 6 0 0 ；1 9 9 7 年该公司又推出新一代绞吸式和斗轮式 挖泥船，其主要特点是在绞刀桥架i - 设置泥泵，以提高疏浚深度和吸泥浓度， 改善泥泵汽蚀性能。除i i - 1 c 公司外，世界著名的绞吸式挖泥船制造商还有德国 的k r u p p 公司、荷兰的d a m e n 公司、美国的e l l i c o t t 公司、日本的三菱重工、 澳大利亚的n e u m a n n 公司等。 1 2 2 绞吸式挖泥船的性能 绞吸式挖泥船能得到广泛的应用，主要由于其具有以下优点8 1 】： ( 1 ) 绞吸式挖泥船用途广泛，可以在江河湖海中作业，用以清淤，航道挖 掘，吹填造地。在特殊情况下绞吸式挖泥船上安装大功率绞刀设备，不需爆破 即可挖掘玄武岩和石灰石等岩石地层。 ( 2 ) 绞吸式挖泥船工作效率高，产量大，泵距远。大型的绞吸式挖泥船每 小时产量可达几干立方米| 把泥沙或碎岩物料依靠强大动力通过泥泵和排泥管 线，可送出几千米之外。 ( 3 ) 绞吸式挖泥船操作简单，易于控制。挖泥船依靠船艇的台车使钢桩定 位和步进，利用绞刀臂架两侧钢缆与固定于挖槽两侧的锚，靠铰车牵引，两厢 武汉理工大学硕士学位论文 摆动绞切泥沙物料，在一定的控制摆角下工作，将绞动的物料，经过输泥管泵 到堆积场。挖泥船的步进是由两根桩交替运动，迈步向前。 ( 4 ) 大型绞吸式挖泥船带有自航系统，迁移时可以自航到位。中小型挖泥 船多为无自航系统，靠拖船拖行。中小型挖泥船可设计建造成组装式，通过陆 路运输到现场，经组装后即可使用。 ( 5 ) 绞吸式挖泥船经济性好。物料的挖掘和输送一次性完成，不需要其它 舶船配合，几次搬运，相对工程成本较低。 1 _ 2 3 绞吸式挖泥船的工作原理和结构 绞吸式挖泥船的工作原理一般可作如下概括：挖掘机具将水下土层经过机 械切割使之松动，使泥沙与水相混合，形成一定浓度的泥水混台体( 泥浆) ，然 后通过泥泵产生的真空吸出、荐经过输泥管道输送到排泥场。绞吸式挖泥船一 般是一种非自航式的挖泥船，无论是大型还是中小型，绞吸式挖泥船主要都是 由船体、柴油机动力装置、泥泵系统、绞刀系统、定位桩系统等组成，如图卜2 所示。其中从功能上可作如下概括1 2 1 - “】 图1 - 2 绞吸式挖泥船 ( 1 ) 船体：对于大多数大型绞吸式挖泥船和由许多浮箱组成的可拆绞吸式 挖泥船，其漂浮能力主要取决于作为单元的h 型浮箱。在挖泥船的船体中布置 个独立的泵室是很关键的。泵与主机房应分开，否则旦检修泵时发生错误 或是泄漏，则会造成机房的淹没，甚至使整个挖泥船沉没。 ( 2 ) 动力装置：是绞吸式挖泥船的主要设备，工程上绞吸式挖泥船上的柴 油机通常通过直接驱动或减速箱驱动方式驱动泥泵工作。在选择与泥泵匹配的 武汉理工大学硕士学位论文 柴油机时要求有两点：功率匹配、转速匹配。功率匹配就是指柴油机的输出功率 要符合泥泵所需要的功率。一般来说柴油机的功率应等于工作机械所需要的功 率乘以1 1 1 1 5 ，以防工作中可能发生的超负荷，以及长期使用后泥泵工作阻 力可能增大和柴油机的功率可能下降；而转速匹配是指柴油机在标定转速下运 转时，配用的泥泵也要达到标定转速。泥泵的标定转速与柴油机的标定转速相 等或接近相等( 相差不超过2 ) 时，可以采用联轴器直接连接，转速不等时，可 以采用离合器通过齿轮箱传动。 ( 3 ) 泥泵系统：泥泵是一种将原动力机的机械能转换成被输送液体的压力 能和动能的水力机械，是绞吸式挖泥船水力输送泥浆的关键设备，其泥浆运行 工况的好坏直接影响到施工效率。在绞吸式挖泥船上普遍采用离心式泥泵，性 能参数主要有扬程、流量、功率、转速、效率等，它们之间相互影响、互相制 约。泥泵各性能参数变化是随着泵的工作条件的变化而变化的，但各参数变化 的范围与相互关系不是任意的而是服从泥浆本身的特性规律。 ( 4 ) 桥架系统：即绞吸式挖泥船的挖掘系统，主要包括绞刀、绞刀桥架、 吸泥管、绞刀桥架起落装置、绞刀驱动装置。其中绞刀是该系统的核心部件， 是本文探讨研究的重点，将在下一章中作详细介绍。 ( 5 ) 定位桩系统：挖泥船在疏浚作业工程中，挖泥船的定位、横移和前移 依靠定位桩系统来完成的。绞吸式挖泥船的定位桩系统有定位桩台车、固定定 位桩、倾斜的定位桩及旋转定位桩系统。定位桩系统的选择是很重要的，定位 桩系统必须能够在回转中心保持固定，提供简单和有效的前移方式，足以承受 施工作业时对该系统施加的作用力具有很强的强度。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 绞刀 绞刀的研发是世界各大疏浚公司及产品开发商重点研究的课题之一，具有 代表性的公司有美国的e s c o 公司和荷兰的v o s t a - - l m g 公司。 v o s t a - - l m g 公司在挖掘机具技术领域有着悠久的历史，从7 0 年代起，生 产s 1 0 - - $ 2 0d 2 0 - - d 3 5 系列，作为第一代产品在当时疏浚业发挥重要作用，但 在同后的使用和对事物认识的提高，第一代切削系统的缺陷暴露出来，比如绞 刀切削系统的切削比能大、磨损空间小、齿与座的制作工艺差、齿的安装劳动 5 武汉理工大学硕士学位论文 强度大、由于设计的缺陷齿座经常发生断裂；针对这些问题v o s t a - - l m g 公司 在8 0 年代推出了第二代切削系统，较好的解决了上述问题，并且系列众多，当 中各种齿型、齿座相配合，共有1 6 种齿型、5 种齿座，较好的满足了不同生产 的需求。而美国e s c o 公司是世界上最著名绞刀设计和生产企业。目前世界各疏 浚公司大都使用e s c o 公司提供的产品和技术，比如我国主要大型绞吸式挖泥船 ( 7 5 0 k w 以上) 大都使用e s c o 技术产品，当然这都是7 0 年代的产品，已被e s c o 新一代产品所代替：在市场的需求下，新型绞吸式挖泥船绞刀功率逐渐加大，追 求疏浚成本的降低和提高船员生产的安全性是企业和研发机构的重要课题之 一。v o s t a l m g 公司研发部门用7 年时间开发出第三代切削系统即t s y s t e m ，该系统延续自由切割的设计理念，追求最小切削比能、提升各种性能 要求，由齿、齿座、齿与座安装后的锁紧装置。此系统还包括以下设计要求： ( 1 ) 更换刀齿操作安全性；( 2 ) 齿与座安装的可靠性并要降低制造要求；( 3 ) 齿的有效使用性提高；( 4 ) 适合大功率绞刀的使用；( 5 ) 开挖每方费用最低。v o s t a l m g 与“国际疏浚公司d i “ “b a s k a u s “ 公司合作，在巴拿马及中东的项目 进行试验，所有参数表现良好，齿的更换时间比二代减少3 0 ，通过增加效率 节省1 0 的费用，减少刀齿的使用数量减少挖掘费用2 0 ，而由于齿座减少维 护可节省2 0 费用。 纵观世界各大疏浚公司及疏浚技术产品设计开发公司，为了最大限度的满 足市场需求，在疏浚市场中占有份额，必须有强有力的技术支持，必须不断建 立和更换设计理念，及时推出新的技术产品和对未来的市场竞争取得先手进行 必要的技术储备卯。 1 3 2 桥架 桥架又称绞刀架，是一种用各种型钢焊接而成的一种箱形结构，类似于船 体。目前，对绞吸式挖泥船的桥架研究较少，现行的绞吸式挖泥船的桥架系统 的设计工作无明确规范可以查询。上海交通大学船舶与海洋工程设计所在最近 几年开发设计了许多大型绞吸式挖泥船，通过不断的探索与实践，在绞吸式挖 泥船的设计开发上取得了一定的进步，并有针对绞吸式挖泥船桥架的结构强度 的计算。但现行的绞吸式挖泥船的桥架设计还存在许多需要进一步深入研究的 问题。其一，由于工况复杂，难以确定船体和绞刀架系统所受到的外载荷。其 二，针对绞刀架系统这一特殊的施工设备，由于其所受外载荷比较复杂，也缺 6 武汉理工大学硕士学位论文 少深入的研究，故而也不能对其进行有效的结构优化设计。其三，现行的绞吸 式挖泥船的绞刀架系统的设计工作无明确规范可以查询。很多工作都要依靠经 验进行，有很大不可靠性。 1 3 3 轴系校中与振动 目前，国内外关于大型挖泥船绞刀传动轴的振动与校中计算的资料较 少，其计算方法主要参考船舶推进轴系振动与校中计算。根据世界各国规范 的要求，对于船舶推进轴系，必须进行校中及振动校核计算，并提供相应的计 算报告。传统的校中方法均把推进轴系和支承轴承视作为刚体，不考虑各种动 态因素的影响，在轴系校中方案设计及检测过程中只计及轴系结构的静态负荷。 在这一方面，经过国内外学者多年的共同研究，目前已经形成了比较完善和成 熟的校中理论和方法。轴系校中方法已从直线校中法发展到轴承允许符合校中 法，轴系合理校中法，相应的计算方法有三弯矩法、传递矩阵法、有限元法。 武汉理工大学的周瑞平教授长期从事于船舶推进轴系校中的研究，先后在三弯 矩法及三弯矩法的改进、传递矩阵法及其v b 实现、有限元法的改进方面作了 比较深入的研究，并开发出了具有自主知识产权的弹性校中计算软件。r e e v e s ， j o h nd 、v l a h o p o u l o s 、n i c k o l a s 等人提出了一种分布式轴承有限元模型对 轴系进行优化校中计算，并通过工程实例验证了该方法的实用性，对工程设计 具有一定的指导意义。目前研究人员工作的重点是如何在传统校中的基础上， 对船舶推进轴系校中问题进行优化计算，以减少校中费用、提高校中的质量和 效率。但这些校中方法从原理上上来说都属于静态校中的范畴，对船舶轴系的 模型均做出了较大的简化【1 6 】【2 0 】。 随着有限元理论的发展和有限元应用软件的开发使用，利用有限元法计算 和分析系统的动特性显示出一定的优越性。考虑各种因素的有限元模型是一个 比较精确的模型。和传递矩阵法相比，有限元法计算结果精度较高，而且可以 避免传递矩阵法中可能出现的数值不稳定现象。利用有限元技术对船舶轴系进 行建模并进行振动与校中分析越来越受到学者们的青睐。日本n k 船级社的 h o m o r i 等在d o r t 研究的基础上引入了有限元技术；m a nb w 公司j a k o b s e n 等也利用有限元技术建立了简化的单曲拐模型；1 9 9 5 年k i k u c h i 等针对日本 m i t s u b i s h i ( 三菱) 重工的船用主机进行了扭转一轴向耦合振动的研究，将 j a c o b s e n 的研究又向前推进了一步。近年来，有限元软件同益成熟，用有限元 7 武汉理工大学硕士学位论文 法进行轴系振动与校中计算已经越来越成为主流。 1 4 研究目标与主要内容 本文以大型绞吸式挖泥船绞刀传动轴系为研究对象，其目标在于了解和掌 握绞吸式挖泥船绞刀传动轴系振动与校中，探讨传动轴系振动与校中对挖泥船 的影响，为轴系设计提供技术参考和支持，提高传动轴系的校中质量，减少轴 系的有害振动，保障船舶的安全运行。 依据此研究目标及国内外研究现状，主要进行以下几方面的研究： ( 1 ) 分析了绞吸式挖泥船的工作原理，介绍了绞刀的结构、分类、以及造 型方法； ( 2 ) 基于二维平板理论，对绞吸式挖泥船绞刀的受力进行了分析与研究， 以某型号绞刀为例，研究了绞刀受力的计算方法； ( 3 ) 通过分析桥架在各工况下的载荷，应用有限元法对桥架结构进行了分 析，并得出桥架对校中和振动的影响； ( 4 ) 在绞刀受力和桥架变形分析的基础上，应用有限元法对绞吸式挖泥船 绞刀传动轴系进行校中分析研究； ( 5 ) 应用有限元法计算了绞吸式挖泥船绞刀传动轴系振动固有频率。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 - 1 绞刀 第2 章绞刀作用力分析 绞刀是绞吸式挖泥船的核心挖掘部件，对绞刀切削系统乃至整船运行效率 都十分重要，下面就从绞刀的结构、分类、选择等方面来具体介绍一下绞刀。 2 1 1 绞刀的结构 绞刀一般由绞刀座、刀臂、轮觳组成，在齿式绞刀上还有可拆卸的刀齿( 图 2 1 ) 。绞刀座也称大环、加强圈，用来固定连接刀臂、支撑整个绞刀，多为铸 钢或铸钢焊接组合而成；轮觳与绞刀传动轴相连，起到传动作用，有键槽连接、 螺纹连接等方式，现在一般为反牙梯形螺纹连接，即在传动轴上加工梯形螺纹， 绞刀轮觳内加工的螺纹相当于一个螺帽予以紧固。挖泥时越转越紧，拆卸时利 用绞刀原动机的倒旋转来进行；刀臂是绞刀中直接切削泥土使之成为能被吸入 吸管的碎块的部件，均匀的分布在外围圆周上，一般为4 , - - , 6 片，在旋转时轮流 接触并切削泥土，齿式绞刀中在刀臂上还安装有一定数量的刀齿。刀臂及刀齿 一般为耐磨的合金钢或锰钢等所制，成螺旋状安装在轮觳与大环之间。 绞刀轴 吸 图2 - 1 绞刀简图 2 1 2 绞刀的类型 绞吸式挖泥船使用的绞刀类型根据外形不同分为开式、闭式和齿式三种。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 开式绞刀：一般由刀臂、轮觳、臂架和大环四部分组成。开式绞刀刀 臂前端由臂架与轮觳相连，后与加强圈相连而组成一个整体。绞刀刀臂前端形 成一个开口，当绞刀挖深较大，绞刀最前端接触开挖泥土时，此开口切削泥土 效果较差。 ( 2 ) 闭式绞刀：其外形如同“皇冠”、“篮球”，又称皇冠式绞刀、篮球 式绞刀。其结构由轮觳、大环和刀臂组成，各部分作用类似开式绞刀，刀臂呈 螺旋状，前端与轮觳相连，后端与大环相连。相比开式绞刀，由于前端有刀臂， 破碎性能较强，且内腔没有开式的臂架，因此有利于泥泵对泥浆的吸入。闭式 绞刀刀臂上一般镶有切削刃，以便在磨损后更换。 ( 3 ) 齿式绞刀：刀齿在开式、闭式绞刀刀臂由加工、焊接而成。当绞刀切 割泥土时，首先由刀齿接触土层，切削力都集中在刀齿上，更容易的切碎比较 坚硬的土层，可以改善切削效果，同时也增大了绞刀开挖土质的范围。在施工 生产中尤其是开挖粉沙。硬质土时刀齿磨损较为严重，更换绞刀比较麻烦而且 提高成本，现代新型挖泥船采用可换齿尖的新型绞刀，通过更换不同形状的齿 尖适应挖掘不同的土质，如镐形齿尖适合开挖岩石，凿形齿尖适合开挖硬质土， 宽凿形齿尖适合开挖砂和软质土，不对称宽凿形齿尖适合开挖粘土。当绞刀磨 损到一定程度时，只需撤换齿尖。对施工现场缺少起重设备给绞刀的维修、恢 复切削力带来了极大便利。绞刀对泥土的切削属于强力切削，并与泥土摩擦接 触，所以多采用耐磨、高强度的合金材料，以改善切削效果并延长绞刀使用寿 命。 绞刀依其刀臂旋转方向为顺时针转或逆时针转有顺向刀臂和逆向刀臂之 分，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 不同旋转方向的齿式绞刀 l o 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 绞刀的三维造型 2 2 1p r o e 软件介绍 p r o e ( 全称p r o e n g i n e e r ) 是每个p t c 公司于1 9 8 8 年推出的参数化建 模软件，经历十几年的发展何完善，已经有了2 0 多个升级版本，并且功能也延 伸到c a m 及c a e 领域，成为多功能的3 d 软件，广泛应用于机械、电子、航 空航天、产品设计、模具设计等各行各业。p r o e 功能强大，融合了零件设计、 大型组件装配、模具开发、加工、钣金件设计、铸造件设计、造型设计、自动 测量、机构仿真设计、有限元分析、数据库管理、电缆布线以及印刷线路设计 等功能与一体。其中最擅长的是实体造型、加工以及大型组件装配、管理和模 具结构设计，这些方面的应用在全球得到普及并且拥有极大的优势【2 l 】。 2 2 2 绞刀的造型 绞刀一般由大环、刀臂和轮毂三个主要部分组成，齿式绞刀还在刀臂上装 有不同形状的刀齿。其中，刀臂是比较复杂的空间扭曲体。在建模过程中刀臂、 大环和轮毂分别进行。本文以皇冠式绞刀为例，来说明绞刀的造型过程。 在绞刀的三维建模中最困难的是如何确定刀臂的空间形状，为了便于建模， 可将刀臂看成曲面，该曲面由内外两条轮廓线决定。在实际的工程图纸上设置 好笛卡儿三维坐标系和原点后，就可以得到内外轮廓线的精确坐标，选取轮廓 线中若干点的坐标，做成p r o e 可以识别的i b l 后缀格式的记事本文档，这些 准备工作完成后就可以在p r o e 尼中实现曲线的造型了。具体执行过程就是： 插入基准曲线一来自文件一完成选取坐标系一根据路径提示选择i b l 文件一 生成曲线。内外轮廓线可写在同一文件里按此方式一同生成。 接下来由生成的内外轮廓线就可以进行工作面的造型了，选择变截面扫描 命令来实现。具体过程为：变截面扫描一选择面特征一打开参照选项卡一选择 外轮廓线为原始轨迹一选择内轮廓线为辅助轨迹一选择链l ( 辅助轨迹) 的x 选 项一创建草绘平面一确定完成。 有了工作面，实体的生成就很容易了，选中实体后，用编辑菜单里的加厚 命令即可实现。具体过程为：选择生成工作面一编辑一加厚一输入厚度值一选 择加厚方向一确认退出。 刀臂刀刃的生成可以采用倒角功能来实现。具体步骤：插入一倒角一倒边 武汉理工大学硕士学位论文 角一选择刀臂刀刃的两个相关面在操控面板中选择d l x d 2 并输入相应数 值一确认退出。 单个刀臂造型已经完成，接下来就是整个绞刀的实体造型。整个绞刀包括 若干刀臂、大环及轮觳。大环、轮觳的形状均为规则的回转体，可用旋转实体 生成。可在p r o 尼中执行以下操作：插入- 旋转一伸出项一实体一草绘( 选择参 考面、绘制截面及旋转轴) 完成退出草绘一接受默认选项一完成。 由于刀臂由变截面扫描生成，其首尾两端与大环及轮觳的相接处肯定不能 完全吻合，所以要通过添加或去除材料来完善造型。具体执行过程：插入_ 旋转 一选择切割实体选项一进入草绘一绘制旋转轴、选择轮觳的内表面母线一选择 切割方向呻完成退出。 在所有完善工作都结束后，就以上述生成的刀臂为母体，生成其余刀臂。 假设所设计绞刀共有6 个刀臂组成，那可以通过以下两步来实现：首先，编辑一 复制呻选择刀臂实体一选择性粘贴一选择对副本移动或旋转变换一选择旋转轴 一输入旋转角度6 0 一确定完成。接下来，选择新生成刀臂一编辑一阵列一选择 表示两个刀臂之何角度的尺寸：6 0 一输入个数5 一确定退出，这样所要建模的 绞刀就完成了。绞刀最终造型见图2 - 3 。 1 大王f = ；2 刀臂；3 轮毂 图2 3 皇冠式绞刀的实体模型 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 绞刀切削过程分析 2 3 1 正切削与反切削 当绞刀横移速度方向与绞刀旋转最高点处的切向速度方向相反时，绞刀作 反刀切削，如图2 - 4 所示。反之，绞刀作正刀切削，见图2 - 5 。反刀切削时的 产量大于正刀切削，因为反刀切削时，固体颗粒在刀臂的作用下更易于进入绞 刀吸泥口，绞刀产量较高。本文主要研究绞刀反切削的情况。 图2 4 绞刀反切削 2 3 2 切削过程 图2 - 5 绞刀正切削 实际的绞刀是三维的，为了便于分析，可以用一系列垂直于绞刀轴的截面 去剖切绞刀。将三维绞刀切削简化为若干二维平板切削的综合瞄】。在绞刀切削 过程中，随着刀臂所处的位置不同，绞刀的速度，受力、力矩、功率等也发生 相应的变化。因此，为了更好的对绞刀的切削载荷进行研究，首先要对其切削 过程进行分析。 由于刀臂是螺旋状的，所以引入包角来描述绞刀高度一定时，刀臂的螺旋 上升程度。刀臂某位置的切削状态不仅和绞刀所处的位置有关，也和它在刀臂 上的位置有关。所以需确定绞刀所处的位置、刀臂上不同位置的表示方法以及 每个参与切削刀臂的切削范围。 定义大环与刀臂连接处的刀臂截面为基准面。定义a 刀臂基准面刚刚浸入 切削层时为绞刀的“o o 时刻( 图2 - 6 ) 。假设刀臂包角为k 高度为h ，用间 隔为l 以、垂直于绞刀轴的截面去切割绞刀后，绞刀被切割成九等分，可以近似 的认为每相连的等分的切削状态相差l o ，那么刀臂最顶端到最低端切削状态相 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 差舻。因此，绞刀在任意时刻的切削范围就是从基准面所在的时刻算起，往旋 转方向再转过九度。 图2 - 6 绞刀切削的0 0 时刻 以包角为4 5 0 的绞刀为例进行计算。0 0 时刻a 刀臂全部处于切割状态，b 刀臂0 “ - 3 0 0 在切削状态。表1 给出了几个特殊时刻的切削范围。 表2 1 几个特殊时刻的切削范围 2 3 3 切削力 实际的绞刀一般是三维的，为了分析方便，可用一系列垂直于绞刀轴的平 面去剖切绞刀，将三维绞刀切削简化为若干个二维平板切削的总和。用一系列 垂直于绞刀轴的截面去剖切绞刀后，三维切削问题便简化为二维平板切削，并 将作用在刀片上的合力分解为沿切削速度反向和垂直与切削速度方向的两个分 力。分力的大小可根据以下公式进行计算【2 3 1 。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 7 平板切削示意图 对于非汽蚀切削 e ：丑殳掣坐 f ：刍：星：兰：笙：垒：! 吒 当速度增大到一定数值后，就会发生汽蚀现象，对于汽蚀切削 e = d j p w g ( z + l o ) h i b e = d 2 p w g ( z + i o ) h r b 其中e = _ y m _ a x - - n l ，k = 0 5 k i + 0 5 后嗽 l 一刀一 。 式中c ，q ，d l ，击均为切削系数可通过查表获得2 4 1 。 厅切削速度方向的切削力o c n ) e - - 垂直于切削速度方向的切削力( 几l _ 一水的密度( k g m 3 ) z 水深( m ) j i f 切削层初始厚度( m ) b 刀片宽度( m ) e 体积应变( ) l l m a x 最大孔隙度( ) b i 初始孔隙度( ) 1 5 ( 2 - i ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 武汉理工大学硕士学位论文 平均汽蚀渗透系数( m s ) 丸初始汽蚀渗透系数( m s ) 最大汽蚀渗透系数( m s ) 2 3 4 影响切削力的因素 公式( 2 一l h 2 - 4 ) 即为计算切削力所用公式，除了p 价g 为常数可直接带入外， 其他参数都需根据切削时的具体工况来确定，下面就分别介绍公式涉及的各个 参数量是如何影响切削力计算的。 ( 1 ) 横移速度v c ：在图2 7 中为刀片的前进速度。从公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 中 可看出切削力与横移速度成正比关系，即切削速度越快，所需切削力也越大， 但切削力并不是随着切削速度增大而无限增大，当速度增大到一定数值后，切 削过程变为汽蚀切削过程，使用公式为( 2 3 ) 、( 2 4 ) ，由公式看到此时切削力计 算己与横移速度无关。 ( 2 ) 切削角d 、刀片高度1 1 b 、剪切角b ：这些参数没有直接参与公式计 算，但并不是与切削过程毫无关系，而是与c l 、c 2 、d l 、d 2 的计算息息相关， 也就是说它们对切削力计算的影响整合到一起，通过c l 、c ；2 、d l 、d 2 来反映。 ( 3 ) 切削土层厚度l l i ：是刀齿正在切削的路径和刀齿切削前路径之间的范 围，如图2 7 所示的h i 。由公式知切削力与h i 成正比关系，层厚度越大，所需 切削力越大。 ( 4 ) 土质特性的影响：如前所述计算公式为： e = 三畦土，k 艉= 0 5 k i + 0 5 k l l 一刀嘣 如图2 7 所示，下标i 表示土壤被切削前的参数，下标m a x 表示切屑的参 数。它们的关系是刀一= 士+ ，七一= 4 k ，。其中l 【s 为松散系数，与土壤性 k j冗， 质相关。 ( 5 ) 系数c 卜e , 2 、d 卜d 2 ：m i e d e m a 博士对水饱和沙切削进行了研究，系数c i 、 c 2 与沙中的内摩擦角由、泥土表面摩擦角6 、刀片切削角q 以及刀片高度与层 ”厚度的比例h b hi 有关。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 切削参数的计算 2 4 1 切削速度v c 平板切削过程中，切削速度的方向很简单，即为平板前进方向，但绞刀进 行切削时的运动则是由整体横移运动和围绕自身的旋转运动相结合而成的，那 么切削速度自然也是由切向速度与横移速度合成的，横移速度在本文中是恒定 不变的，切向速度大小保持不变，但切向速度的方向却随着绞刀在过程中的转 动而不断变化，因此v c 需通过余弦公式计算得出： 跆= 殆2 + v r 2 2 v s v r c o s ( t r q ) ( 2 5 ) 式中v c 一切削速度； 巧一刀臂端点的切向速度( r r d s ) 卜绞刀横移速度( m s ) q 转过的角度( m s ) x y 图2 - 8 任意时刻切削示意图 2 4 2 切削层厚度h i 切削层厚度h i 是当前刀齿的切削路径和上一刀齿切削路径之间的范围，当 刀片所在位置不同时，其切削土壤的厚度也不同的：大小是随刀片运动而变化 的。可以用下面介绍的方法计算薄片的厚度。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 9 切削层厚度求解示意图 横移速度恒为v s ，所以a b 长度恒为盟，一般情况下绞刀横移速度远 小于刀臂端点a 点的旋转线速度，三角形b c a 可近似看作直角三角形，亦即