深水流速剖面甲板折臂式收放装置设计.docx

1、深水流速剖面甲板折臂式收放装置设计李怀亮I，付英群2,陆建辉2(1.净岸石沾工程股份有限公司，天津300452;2.中国泠洋大学，东音岛266100)Mt：深水凌速刈血甲板收枚装JL是承担泠洋际境调查设务投枚及回收的受鼻工具，基于漆海紫测任务需求，采用甲板析若式方米设计测童设谷收赦装JU设计述程包格屋体送动方童设计、玄修机构设计、受力分析、三堆建模与仿真分析昔。设计甲板收放装置丈幡危图1.6mWRW3.5m、起币焉度HN2.1E,主要构件浅灰珞在尚足API2C规危委求，满足泠上环境丈测任务需求。关盟词：折号币车；丈修机枸；三维建模；有底元会析中图分类号：TH122文献林志码：Adoi：10.3

2、969/j.issn.1006-0316.2015.04.004文章编号：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基金项目：国家科技重大g项(2011ZX0505-003)作者简介：李怀亮(1972-),河北人.学：t,主要研究方向为结构工程。Keywords：(bidi

5、ngboomtype；luffingmechanism；船用甲板收放装置是海洋开发、海上环境监测等过程中必不可少的工具，主要用于海洋装备等的输运、投放和回收工作。甲板收放装置变幅形式主要可参考固定旋转起重机、移动旋转起重机、龙门起重机，这类起重机的工作半径较大、起升线缆长，表1是对几种主要形式起重机的性能比较。这些装置用于海上测量，设备安全性难于得到保障，尤其对一些易燃易爆物品、贵重仪器设备等，线缆的偏摆易导致3Dmodeling;finiteelementanalysis吊物碰撞等引起故障。采用适当变幅机构可以减少海上测量收放过程中对起升线缆的长度依赖，并且使得收放装置的结构紧凑，降低制造成

6、本，易于实现自动控制。表1起重机变幅形式与性能比较潮眠优点缺点悬胃式结构简单按体敢心依眼缆伸缩臂式工作范围大、运动平检体积较大、操作不灵活折臂为探作灵活、重心低、运动平稳结构较复杂针对深水测量需求，测量设备收放装置采用折臂式设计方案。甲板折臂式设备收放装置设计过程包括：整体方案设计、变幅机构设计及主要构件有限元分析。1收放装置整体设计方案根据任务要求，收放装置的设计参数如表2。表2收放装置技术参数参数数值测量没备行效载荷/t1.0提升高度/m2.1变幅/m1.63.51.1执行机构原理折臂式收放装置设计中采用两级变幅机构，包括主变幅机构与副变幅机构，两级变幅机构均采用液压缸驱动，折臂式装置的机

7、构原理如图lo1.2三钗点的布置分析由吊臂、变幅油缸和主臂组成的变幅机构中三校点布置对总体力学性能的影响很大，需要进行详细设计计算吐3】。三钗点布置如图2,48为液压缸，主折叠臂的俯仰角为a,C点到4点的垂直距离为H,钗点B到钗点C的长度为BC,为AB与4C的夹角。对主变幅机构三钗点进行受力分析，略去钗接副的摩擦，受力分析分析如图3所示。对饺点C,平衡方程为：Ph=QLcosa+GBLBcosa-Se(1)式中：P为变幅油缸推力；方为油缸推力对吊臂钗点C的力臂；a为吊臂的仰角；L为吊臂的长度；G&为吊臂的重量；&为吊臂的重心距C点的距离；，为起升绳的张力；e为随。角而变的线缆到钗点C距离。由于

8、SeQLcosa,式(1)可简化为：Ph=QLcosa+GBLBcosa(2)式(2)表明，当收放装置的额定载荷Q确定后，油缸推力是仰角。和力臂力的函数。仰角a和力臂h是由变幅机构三饺点构成的三角形形状决定，进一步可由确定油缸推力P。图3钗点布置及受力分析在液压缸工作过程中，液压缸的推力P到饺点C的力臂为方，当仰角a=0时装置对钗点C的力臂最大，此时液压缸推力P与钗点C的力矩也应到达最大值。P为油缸与钗点大C连线的夹角.则有：A=|4C|xsinA当角b达到最大值时有人小商,此时装置的末端到饺点C的距离最大。综合考虑收放装置的结构形式，设计钗点与钗点C的水平距离为/,当BC=I、仰角=0时.油

9、缸刀8到被点C的距离最大。H的大小与液压缸行程相关,当BC=/时,起吊幅度达到最大，液压缸的力臂长度也达到最大值。1.3装置的工作幅度设计计算收放装置的结构及主要尺寸如图4所示。=A+右+4xsin(Q+Q)+(3)L4xsina+sin(a-(p)-L6式中：0为主折叠臂中侃、山的夹角；a为主折叠臂的仰角；9为主折登臂中心、J的夹角，L】L6分别为图4中各节臂长度。当主折叠臂位于上极限位置、次折叠臂处于骁直状态时，幅度R达到正常工作最小值：Rmn=xcos(0+a)+奴xcosa+乙5xcos(a-(p)(4)当主折叠臂的仰角a=0且次折叠臂处于上极限位置时，幅度R达到工作最大值:=Lyxc

10、os+Z4+右xcoso+hxcos。(5)分别对各公式中的长度和角度进行初始赋值并进行设计计算，若计算长度符合设计要求则终止迭代，若不符合则对数值进行修正，直到能够满足设计要求。式中：Rmin为设计的最小工作幅度；Rnux为设计的最大工作幅度；Awx为实际最大工作幅度;&min为实际最小工作幅度；&为装置变幅幅度。1.4液压缸的设计计算在受力分析中.伴随着折叠臂的收缩和伸长，主臂力瞥是不断变化，当装置的幅度达到最大值时，起吊的设备对主臂饺点的力臂最长,液压缸提供的转矩也最大，此时吊机受力分析如图5所示。对铉点C有平衡方程：Gx*=PxhF、+P-G=0/0为K确定活塞杆的直径和缓冲装置，需确

11、定速比。设计适当速比可避免产生过大的背压或因活塞杆过细而导致稳定性不好.速比选择参考表3。表3液压缸速比系数公称压力/MPa速比qW101.3312.5201.46-2。202因活塞杆属细长杆，压杆失稳是其主要破坏形式，液压缸42(1015)4。由欧拉公式:FkPxnk(7)式中：入为活塞杆临界失稳压力；&为最大允许计算长度；为安全系数，根据API规范，船用起重设备取叫=106-71；E为材料的弹性模量；/为活塞杆横截面的惯性矩。根据液压缸工作时的实际情况，在达到极限位置时可计算出液压缸的总体长度L如图6O当液压缸处于上极限位时其长度最长为AB2=y/AH2+B2H2AH=AE-HEB?H=C

12、E+CFCF=/?xcos-4HE=B2F=Rxsin以此可计算可选择液压缸型号。M,W1,ILgrt.112JMwM4,2Z1.N3.4M14.iK4nLMi.tllSmm,在设计允许范围以内，主折叠臂与辅助臂的设计满足强度要求。2主要构件三维建模及有限元分析以主变幅机构中主折叠臂为例进行建模及有限元分析，其三维模型如图7所示。图7主折点臂对主折叠臂及辅助臂装配体进行受力分析，选择主折叠臂材料Q890D,分别在主臂与主折叠臂钗点、主臂液压缸钗点、主折叠臂液压缸钗点添加致链约束，对构件整体施加载荷，实体网格，单元大小为20mm,单元总数为41531个，得到应力求解结果如图8所示。根据计算结果，

13、在该装配体中最大应力bmax=84.98MPaV0=89MPa,最大位移出现在主折登臂与次折叠臂的钗点处，为1.13图8主折叠臂应力分布3结论深水测量设备甲板收放装置采用折臂方式设计，用2个油缸驱动变幅机构实现变幅，达到船舷外测量设备收放变幅及提升高度要求，实现装置操控灵活的目的。设计过程包括方案设计、变幅机构参数设计计算和主要构件有限元分析。通过SolidWorksSimulation局部建模与仿真，对构件进行应力、应变分析，设计甲板收方装置的主要构件强度满足API2C规范要求，该装置设计工作幅度1.54mWRW3.58m,最大提升高度H=2.69m,满足海上测量设备投放与回收工作要求。参考文献：1 林承桢.悬霄式液压起重机变幅机构三皎点的布度分析J.工程机戚1981(7):10-15.2 车仁饮，胡长胜.陆念力.随车起重机变幅机构的动力学分析(J.建筑机械.2005,17(3)：68-71.3 施云权.变幅三皎点的实用设计(JJ.工程机械,1989