船舶液压组合锚机自动化校核与诊断软件的研制

船舶液压组合锚机自动化校核与诊断软件的研制

锚机安装在船舶头部的主甲板上，用于船舶的早期和后部的锚流。根据驱动形式分为手动式、电动式和液压式。其中，液压式锚机体积小，质量轻，结构紧凑，输出动力大，工作平衡、操作方便、用途广泛等。当系泊绞车和锚机为整体式时,系泊绞车被认为是锚机的一部分,此时称为起锚与系泊一体组合机,简称组合锚机,又叫锚绞车,是常见的一种锚机形式,其中液压式组合锚机应用最为广泛。本文主要讨论液压组合锚机(以下简称“设备”)的自动校核及诊断。液压组合锚机的校核是非常复杂而且关键的一项工作,它包括的模块及零件较多,在校核过程中会遇到大量的计算、零件选择等,如果进行手工计算,要进行大量重复性的工作,耗时长、效率低、容易出错。而且由于简化、数字舍入等,其结果误差也比较大。如果用ANSYS等有限元软件进行计算,由于建模和计算过程繁琐,同样需要消耗大量时间和精力。在设备的设计过程中,中间方案中难免会出现各种各样的问题,如零件结构强度不满足要求、强度冗余浪费、零件间的干涉等问题,需要对每一个零件的所有参数进行排查,再进行人工决策,费时费力,而且难以兼顾方便、美观、实用等方面,增加了设计难度和设计风险。随着计算机技术的迅速发展,零件的设计和计算由手工转向计算机程序自动完成,不但提高了设计质量,减少设计工作量,同时为高速、多变、中小批量的设计提供了保障手段。而计算机技术在船舶甲板设备方面的研究相对滞后,在大量设计的实践中,还没有专门针对锚机校核或诊断的成形软件。因此,对船舶液压组合锚机进行自动化校核及诊断优化设计的研究,是一项十分有意义的工作。因此,用C++语言开发了此款基于设备零件数据库的船舶液压组合锚机自动化校核及诊断系统。1本研究1.1常用的组合锚机计算对设备进行校核时,不仅要使设备及其零部件满足强度、刚度和稳性等要求,还要遵守相应的船舶规范及标准,满足对规定外界环境(如甲板上浪等)的要求,并且应综合考虑多种工况进行计算,主要包括正常起锚工况、应急起锚工况、抛锚工况、锚链轮支持工况、卷筒工作工况和卷筒支持工况等。据此对设备的各项参数和零部件进行计算,其校核计算内容如图1所示。技术参数计算是为满足液压组合锚机的基础性能指标和规范要求,在不同工况下设备负载、效率、速度等的计算和传递到各个零件上的设计作用力分析。液压系统计算验证液压元件性能是否满足设备要求。主要零件校核针对零件各自的结构特点进行结构分析,并按照用户输入的参数参照规范进行结构计算。每个零件一般包括多个校核项,每项的计算参照锚机厂商的设备校核过程,并按照厂商提交船级社的规定格式整理成校核报告。1.2零件校核和诊断方案在液压组合锚机的初始设计阶段,在成熟的方案形成之前,难免会出现各种问题。比如结构强度不足或冗余、选择材料不合适、零件之间的不匹配等,如果使用传统方法,就需要设计人员人工对设备零部件进行逐个排查,找出问题并一一决策,螺旋式改进,逐步优化,最后得到成熟的方案。由于有很大局限性,需要依靠丰富的设计经验和缜密的排查方案,费时费力而且容易出现遗漏、诊断错误等诸多问题,设计风险和设计难度很大,很难设计出既安全实用又方便美观,而且节约成本的设备方案。为了解决这些问题,在本系统中首先根据输入的零件数据进行快速校核,然后由用户配置各零件安全系数范围等参数,系统根据校核结果和配置的参数进行计算,再根据各零件之间的位置、配合关系等进行自动判断,计算其安全性和合理性,并给出建议。在软件系统界面上可以完成一键操作得到诊断建议,并可以输出为诊断文档,以帮助设计者在初始设计时对方案改进和完善,减小了设计风险,增加设计效率,提高设计精度,使设计变得更加高效专业。以制动装置为例,对液压组合锚机及其每个零部件的诊断原理如图2所示。各零件内部及零件之间的问题原因和诊断建议由ACCESS数据库管理,原因和建议内容由小组讨论或专家给出,并在系统使用过程中逐步完善。2软件设计2.1液压组合锚机软件设计为了能够方便、准确、快速地完成液压组合锚机设备的自动校核及诊断,开发过程中与锚机厂商多次沟通,不断完善,形成了较好的校核方案。考虑到软件的可实现性和易维护性,该系统采用面向对象的思想和技术,使用VisualC++.net进行设计,采用MFC图形界面,针对每项计算的数据特点,设计出合适的交互方式,做到人性化、易操作。该软件的体系结构如图3所示。软件用户主界面如图4所示,通过左侧操作树视图可以完成对设备的所有操作,如预览结果、一键生成报告、一键诊断等。为了能在校核过程中非常方便、人性化地查看校核中间过程及校核结果,该系统可以自动生成规定格式的PDF报告,并使用ActiveX技术把中间报告嵌入界面中,方便用户查看,在嵌入窗口中操作方式与AdobeReader完全相同。生成的设备校核总报告包括完整的校核原理、过程和校核结果,满足船级社的格式要求,可以直接作为锚机设备厂商的产品交付文档。图5是设备基本数据交互向导。为了可以长期有效地管理液压组合锚机设备及其零件信息数据,把数据存储在数据库中,使用MicrosoftAccess对数据进行读写和管理。该自动化校核及诊断系统需要建立设备库,录入设备及零件数据,以便在校核时方便快速地调用。设备库可以通过软件交互式向导建立,也可以在ACCESS中批量导入,设备库零件数据可以在使用过程中随时添加或修改。2.2控制和求解ansys模型的apdl宏命令1)ANSYS接口软件提供了零件模型与ANSYS交互的接口,可以从ANSYS中读取零件强度分析结果。通过控制和求解ANSYS模型的APDL宏命令,通过APDL命令可以把计算得的结果写入文本文件,本软件再从文本文件中读取求解的结果。2)设备的可靠性分析接口用定性的方法,按照故障树法进行割集分析,估算设备的可靠性,并可以定性分析其零件的相对重要程度,即哪个零件发生故障给液压组合锚机设备的可靠性影响最大。3锚链轮制动钢绞缆系缆校核方案以设计中的YMBZ/Y70S-3-45液压组合锚机为例,使用本系统进行校核诊断,基本参数为:1)锚链轮工作下:工作负载232.75kN,过载拉力349.125kN,支持负载1660kN,传动效率0.77,起锚速度不小于9m/min,抛锚深度82.5m。2)卷筒工作下:工作负载150kN,支持负载450kN,系缆速度不小于15m/min,容绳量200m,绞缆负载100kN,绞缆速度不小于6m/min。输入基本参数和零件详细参数(详细参数过多,不再一一列出)进行计算,诊断结果如表1所示。从表1中可以看出,锚链轮制动钢带等零件强度不够,锚链轮松边销轴等零件强度存在冗余,设备零件间无干涉情况。此方案需要改进,设计者需要根据诊断的结果和建议,逐个对有问题的零件参数进行改进,得到一个新的方案,对新的方案再进行一键诊断和一键校核,得到新的诊断建议。这样反复修改几次,就得到一个较好的方案。输出PDF格式报告包括所有校核的详细过程,共26页,其前四页如图6所示。报告包括封面目录、完整的校核原理、校核过程及校核结果。报告显示校核结果准确,格式规范,可以满足锚机厂商的使用要求,大大地减少了工作量,提高了工作效率。4液压组合锚机的校核设计针对液压组合锚机设计及校核过程复杂、耗时长、效率低、易出错等问题,用VisualC++开发了自动校核软件。软件通过人机交互,自动完成液压组合锚机的校核计算,得到满足船级社要求的校核报告,并根据校核结果进行诊断,列出出