兩岸不等高段野戰管線懸掛穿越裝備懸索受力分析

李 江，張偉明

(后勤工程學院，軍事供油工程系， 重慶 401311)

【后勤保障與裝備管理】

兩岸不等高段野戰管線懸掛穿越裝備懸索受力分析

李 江，張偉明

(后勤工程學院，軍事供油工程系， 重慶 401311)

基于懸索理論，建立了野戰管線懸掛穿越裝備的簡易模型。根據懸索均布載荷的幾何方程和力矩方程，推導出兩岸不等高段野戰管線懸掛穿越裝備懸索受力與跨距、高差等因素的關系。通過比較等高、不等高時懸索受力，判定模型的準確性，得出相應結論，指導裝備使用。

懸掛穿越；大落差；懸索；受力分析

野戰管線鋪設遇到河流、溝壑等障礙時常采用懸掛穿越裝備實現跨越[1]。現役野戰管線懸掛穿越裝備基于障礙兩岸等高設計，實際鋪設時，兩岸往往不等高，懸索形狀發生變化，矢度位置改變，懸索的受力不再對稱，跨越結構的受力更為復雜，若設計、安裝不合理，可能造成管子接頭拉脫、管線失穩等情況，影響正常輸油，需對野戰管線懸掛穿越裝置跨越兩岸不等高障礙的懸索受力情況進行分析計算。

1 模型建立

野戰管線懸掛穿越裝備結構和懸索受力相對簡單，為便于計算，基于懸索理論將懸索線形近似的用拋物線y=ax2代替[2-3]， A、B為塔架，D為懸索最低點，懸索最低點處水平方向為x軸，垂直方向為y軸，建立坐標系，建立兩岸不等高段懸掛穿越裝備受力簡化模型如圖1所示。

圖1 兩岸不等高段懸掛穿越裝備模型

AB間的懸索是懸鏈線[4-5]，如圖可知此拋物線過[L-r，f]與[r，f-h]兩點，將兩點代入上式可得懸索曲線方程為：

(1)

式中：h為兩岸高差(m);f為懸索矢度(m)；L為跨距(m)。

將點[r，f-h]代入懸索曲線方程(1)，可確定出懸索最低點D距離低測塔架B的距離r：

(2)

依據式(2)即可得出低端塔架距離懸索最低點的位置，從而確定懸索的矢度，進而進行相應的懸索受力計算。

2 受力計算

基于圖1坐標系建立的簡易受力模型對塔架A、B的處的懸索受力情況進行分析[6-7]。

首先對塔架B處懸索拉力進行分析，取BD段懸索上的任意點x，假設懸索在塔架B處所受的拉力為F，假設其水平方向分力為Fx，垂直方向分力為Fy。按均布荷載進行計算，忽略懸索因彎曲長度略大于x，因懸索是柔性鋼索，不承受彎矩，所以∑Mx=0，由此可得：

(3)

式中：x為點x距離B點的水平距離(m)；y為點x距離B點的垂直距離(m)；q為單位長度上懸索承受的荷載(N/m)。

塔架處懸索的垂直分力就是BD段的荷載，即Fy=qr，代入式(3)：

(4)

y對x求導，得：

(5)

將x=r，y=f-h代入式(4)，整理后可求得水平拉力Fx：

(6)

將式(2)代入式(6)中得出水平拉力計算公式如下：

(7)

懸索在塔架B處的拉力FB為：

(8)

同理，假設懸索在塔架A處所受水平方向分力為Fx′，垂直方向分力為Fy′,塔架A對AD段任意點的彎矩為0，此時垂直荷載Fy′ =q(L-r),代入式(3)：

(9)

(10)

將式(2)代入式(10)：

(11)

懸索在塔架A點處的拉力FA為：

(12)

令式(7)、(8)、(11)、(12)中的h=0 m，整理后可得：

(13)

(14)

通過對比可知，本文所建模型推導出的公式在h=0 m時與兩岸等高時的計算公式相同，從而證明本文建立的模型及受力計算公式推導過程正確。為進一步驗證模型的準確性并比較兩岸等高與不等高時的懸索拉力，找出其變化規律，使用Matlab軟件計算在跨距120 m和100 m時懸索總拉力及水平拉力的變化[8-10]，結果如圖2和圖3所示。

圖2 懸索合力變化

圖3 懸索水平拉力變化

由計算結果可見，兩岸存在高差時，兩岸塔架處懸索的水平拉力大小相同，與兩岸等高時相比均變大，且與穿越兩岸的跨度、高差成正比；兩側懸索總拉力隨著高差增大而增大，高海拔側懸索總拉力比低側塔架大。通過計算得出的懸索水平拉力及總拉力的變化趨勢與實際使用過程中的懸索受力變化規律相同，變化規律符合自然規律，進一步證明建立的模型準確可靠。

由懸索受力變化規律可見，兩岸不等高時，高側塔架受力增長速率更快，易發生側翻，傾覆等危險，需要采取必要的防護措施。

3 結論

本文基于懸索理論，應用拋物線代替懸索線，建立了兩岸不等高段野戰管線懸掛穿越裝備的簡易模型，運用該模型推導出了兩岸不等高段野戰管線懸掛穿越裝備懸索受力計算公式，通過與等高時懸索受力公式的比較，證明推導過程正確。應用Matlab軟件計算了不同高差、跨距時懸索水平受力及合力，明確了懸索受力的變化趨勢，計算結果符合自然規律，證明建立的模型較為準確，可以作為現役野戰管線懸掛穿越裝備懸索受力計算參考，指導野戰管線懸掛穿越裝備的日常使用。

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(責任編輯 唐定國)

Stress Analysis of the Field Pipeline Suspension Equipment Using Between Large Gap

LI Jiang， ZHANG Wei-ming

(Department of Petroleum Supply Engineering, Logistic Engineering Univiersity of PLA, Chongqing 401311, China)

This paper builds the simple model of field pipeline suspension equipment based on the suspension theory. According to the geometry equation and torque equation of the suspension uniform load, the relationship of stress, height and the distance between the gap and other factors are derived. The contrast of the suspension stress of different situation shows that the model is accurate and the corresponding conclusions can guide the use of field pipeline suspension equipment。

suspension across; large gap; rope; stress analysis

2016-10-19；

2016-11-25 作者簡介：李江，男，博士，講師，主要從事油氣輸送技術與裝備研究。

10.11809/scbgxb2017.03.019

李江，張偉明.兩岸不等高段野戰管線懸掛穿越裝備懸索受力分析[J].兵器裝備工程學報，2017(3):86-88.

format:LI Jiang， ZHANG Wei-ming.Stress Analysis of the Field Pipeline Suspension Equipment Using Between Large Gap [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):86-88.

E939

A

2096-2304(2017)03-0086-03