基于UG的導(dǎo)纜裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計*

王光越

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引 言

隨著海洋工程設(shè)備的發(fā)展，水下作業(yè)逐漸成為常態(tài)。水下作業(yè)設(shè)備有帶纜和無纜之分，無纜設(shè)備依靠自身攜帶的電池作為作業(yè)時的動力來源。由于水下設(shè)備空間容積的限制，無纜設(shè)備攜帶的能源小，限制了其水下作業(yè)的時間和空間。大型的水下作業(yè)設(shè)備由于長航時和大功率作業(yè)的需求，一般通過船電系統(tǒng)將能源通過臍帶電纜輸送到水下作業(yè)設(shè)備。臍帶電纜經(jīng)由儲纜絞車和放纜設(shè)備一端連接船電系統(tǒng)，另一端連接水下作業(yè)設(shè)備，為水下作業(yè)設(shè)備提供源源不斷的電能[1]。

儲纜絞車形式多種多樣，根據(jù)儲存纜的種類可分為電纜和鋼絲纜繩。放纜設(shè)備通常安裝在船舷邊上,主要是為了避免線纜與甲板及船舷摩擦,常用的放纜設(shè)備有船用滑輪組件等。筆者設(shè)計的導(dǎo)纜裝置中，儲纜絞車儲存纜的類型光電復(fù)合臍帶纜，長度800 m。儲纜絞車通過檢測臍帶纜上的拖曳力自動執(zhí)行收放纜指令[2],放纜設(shè)備是焊接在船舷附件的滑輪。

當(dāng)儲纜絞車和放纜設(shè)備在同一直線上時，臍帶電纜可直接從儲纜絞車放出，經(jīng)過放纜設(shè)備連接到水下作業(yè)設(shè)備。一般船舶甲板設(shè)備眾多，受甲板空間局限等因素的影響，儲纜絞車和放纜設(shè)備經(jīng)常不在一條直線上，臍帶電纜需要根據(jù)甲板設(shè)備的空間布局設(shè)置合理的路線。因此，當(dāng)臍帶電纜需要通過輔助導(dǎo)纜裝置，使電纜按照規(guī)劃的路徑運行。

UG是機械工程常用的三維設(shè)計軟件，具備模塊豐富、操作簡單等優(yōu)點。UG具有強大的建模功能，可進行參數(shù)化設(shè)計，大大提高建模的速度。同時，UG也具有強大的分析和仿真能力[3-4]。為了實現(xiàn)纜繩在甲板上能隨意轉(zhuǎn)向，同時也為了盡量減少電纜摩擦的損害，筆者利用UG設(shè)計了一種甲板電纜導(dǎo)纜裝置，使電纜能在沿著規(guī)劃的路線連接到作業(yè)設(shè)備上，解決甲板設(shè)備空間不足的問題，提高甲板利用效率。

1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

電纜的一端連著儲纜絞車，另一端連著水下作業(yè)設(shè)備。在水下設(shè)備作業(yè)的過程中，電纜受力較大，這要求導(dǎo)纜裝置具有足夠的強度。同時，電纜在松弛狀態(tài)時電纜不應(yīng)落在甲板上，以免甲板表面刮傷電纜。導(dǎo)纜裝置主要由導(dǎo)纜輪部件和線槽部件組成。導(dǎo)纜輪部件確保電纜轉(zhuǎn)向順利，線槽部件主要為了保證線纜在松弛狀態(tài)拖行時，不被甲板刮傷。導(dǎo)纜裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 導(dǎo)纜裝置1.導(dǎo)纜輪部件 2.線槽部件 3.電纜

2 導(dǎo)纜輪部件設(shè)計

導(dǎo)纜輪部件是實現(xiàn)電纜轉(zhuǎn)向的裝置，主要由回轉(zhuǎn)機構(gòu)以及周圍的擋輪機構(gòu)組成。電纜從儲纜絞車出來之后，進入導(dǎo)纜輪部件的輪槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)一定的角度后沿著規(guī)劃好的路線連接到放纜設(shè)備上。

(1) 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。回轉(zhuǎn)機構(gòu)主要包括導(dǎo)纜輪底座、滾輪體、軸承、軸承擋板、芯軸等零件。導(dǎo)纜輪底座作為導(dǎo)纜輪安裝的基礎(chǔ)部件，也屬于承力部件，為了適應(yīng)海洋環(huán)境的耐腐蝕性，導(dǎo)纜輪底座由316 L不銹鋼板焊接而成。導(dǎo)纜輪底座主要由中心圓管、圓管底板和加強筋組成。電纜在滾輪體內(nèi)轉(zhuǎn)動，滾輪體材料采用聚四氟乙烯。聚四氟乙烯表面光滑，且具有一定的自潤滑性。電纜在滾輪體的溝槽內(nèi)彎曲轉(zhuǎn)向，為避免由于彎曲過大造成電纜的損害，滾輪體的輪槽半徑按不小于10倍的電纜直徑來進行設(shè)計。導(dǎo)纜輪部件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 導(dǎo)纜輪部件1.側(cè)面擋輪 2.滾輪體 3.軸承 4.芯軸 5.軸承上蓋板 6.軸承下蓋板 7.調(diào)節(jié)塊 8.導(dǎo)纜輪基座 9.插銷

擋輪機構(gòu)用來支撐保護電纜不從導(dǎo)纜輪中滑落，主要結(jié)構(gòu)由擋輪體、擋輪軸及活動轉(zhuǎn)盤組成。為了減少腐蝕，擋輪軸和活動轉(zhuǎn)盤均采用316不銹鋼材料，擋輪體采用聚四氟乙烯材料。擋輪機構(gòu)如圖3所示。

圖3 擋輪機構(gòu) 圖4 導(dǎo)纜輪底座1.活動轉(zhuǎn)盤 2.擋輪軸 3.擋輪體

(2) 高度可調(diào)設(shè)計。不同的儲纜設(shè)備出纜口的高度是不同的，為了適應(yīng)不同的儲纜設(shè)備，使電纜始終沿著導(dǎo)纜輪槽的正中心，減少電纜的磨損，要求導(dǎo)纜輪具有上下高度調(diào)節(jié)的功能。在設(shè)計中，導(dǎo)纜輪底座中心圓管上每隔一定的距離設(shè)計一排調(diào)節(jié)孔，回轉(zhuǎn)機構(gòu)芯軸上的圓周孔與導(dǎo)纜輪基座上的圓周孔相互配合，通過插銷固定在導(dǎo)纜輪底座上。通過與導(dǎo)纜輪底座上不同圓周孔的配合，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)機構(gòu)的上下調(diào)節(jié)，使?jié)L輪體中心與儲纜設(shè)備的出纜口始終在同一平面上，減少電纜的磨損。導(dǎo)纜輪底座的調(diào)節(jié)孔如圖4所示。

(3) 模塊化設(shè)計。模塊化設(shè)計是主要是為了提高設(shè)備裝配效率。按功能劃分，導(dǎo)纜輪部件主要分為回轉(zhuǎn)機構(gòu)、導(dǎo)纜輪底座及擋輪機構(gòu)。三個部分裝配完成后形成一個獨立模塊，在調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)機構(gòu)的整體高度和擋輪機構(gòu)的導(dǎo)纜角度時，無須拆卸內(nèi)部結(jié)構(gòu)，大大簡化了設(shè)備的裝配調(diào)試流程，提高了設(shè)備的裝配效率。

(4) 防鹽霧設(shè)計。鹽霧侵蝕是導(dǎo)致海洋設(shè)備運轉(zhuǎn)失效的一個常見因素。在回轉(zhuǎn)機構(gòu)中，滾輪體、軸承擋板、軸承及芯軸裝配完畢后形成一個整體，裝配時在軸承擋板之間填充滿潤滑脂，一方面可以提高軸承轉(zhuǎn)動的靈活性，減少軸承的磨損，另一方面，軸承部位充滿潤滑脂，減少海上鹽霧腐蝕，增強整個回轉(zhuǎn)機構(gòu)的防腐性。在擋輪機構(gòu)中，擋輪體直接與擋輪軸配合時若采用軸承連接的方式，一方面軸承直徑較小，另一方面軸承數(shù)量較多，在海洋環(huán)境下軸承受到鹽霧影響特別容易生銹卡死，提高了設(shè)備的故障發(fā)生率。因此，考慮到實際的使用環(huán)境和功能要求，本方案中擋輪軸和擋輪體直接采用孔軸配合的方式，中間不用軸承連接。

UG的建模功能是機械設(shè)計最常用的功能模塊[5]。根據(jù)設(shè)計方案完成導(dǎo)纜輪部件所有零件三維模型設(shè)計。在裝配體內(nèi)檢查各零部件配合不干涉，利用UG的質(zhì)量分析功能，得到每個導(dǎo)纜輪部件裝配完成之后總質(zhì)量為32 kg，滿足系統(tǒng)設(shè)計的重量指標(biāo)要求。導(dǎo)纜輪部件的三維模型如圖5所示。

圖5 導(dǎo)輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3 線槽部件設(shè)計

線纜在不受力的狀態(tài)下在甲板上拖行時，為避免電纜被甲板劃傷，電纜應(yīng)在線槽內(nèi)部滑行。

(1) 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。線槽部件主要由線槽安裝基座和線槽滾動部件組成。線槽安裝基座主要包括線槽焊接底座和調(diào)節(jié)側(cè)板，線槽滾動部件主要包括線槽底座和滾輪體。基于經(jīng)濟成本和防腐性能的要求，線槽底座主要采用100×48×4.8的槽鋼，材質(zhì)采用不銹鋼，線槽的其它金屬零件均采用316 L不銹鋼，滾輪體材料采用聚四氟乙烯。滾輪體主要包括線槽底部的滾輪體和線槽側(cè)面的滾輪體，線槽滾動部件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 線槽滾動部件1.側(cè)滾輪體 2.側(cè)滾輪軸 3.上滾輪體 4.上滾輪軸 5.下滾輪體 6.線槽底座

根據(jù)實際使用情況，下滾輪體每間隔100 mm設(shè)置一個，以保護線纜在線槽內(nèi)拖行時不被磨損。豎滾輪體和上滾輪體作為一個整體在每個線槽部件中設(shè)置三個，以防止線纜在作業(yè)時滑出線槽外。為了便于運輸及裝配，每個線槽部件總長1 500 mm。在使用時，可以根據(jù)實際情況同時使用多個線槽部件。線槽部件通過焊接的方式固定在甲板上，對于不允許焊接的部位可通過加工轉(zhuǎn)接板的方式利用螺釘固定在甲板的安裝座上。

(2) 高度可調(diào)設(shè)計。線槽滾動部件中，線槽底座底部兩端通過M5的螺釘固定有支撐底板。支撐底板與線槽安裝基座兩端的調(diào)節(jié)側(cè)板通過螺釘固定在一起。線槽調(diào)節(jié)側(cè)板沿高度方向分布有一排安裝孔。支撐底板通過與調(diào)節(jié)側(cè)板上不同位置的安裝孔相配合來調(diào)節(jié)線槽的高度，保證電纜在線槽內(nèi)的高度與導(dǎo)纜輪部件出纜口的高度基本一致。

在UG中建立線槽部件所有零件的三維模型并完成線槽裝配。經(jīng)裝配檢查沒有干涉后，利用UG的質(zhì)量分析功能可知，單個線槽部件的質(zhì)量為25 kg，滿足系統(tǒng)設(shè)計的重量指標(biāo)要求。線槽部件的三維模型如圖7所示。

圖7 線槽部件

4 結(jié) 語

經(jīng)過設(shè)計計算，完成了導(dǎo)纜裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，詳細闡述了導(dǎo)纜裝置的設(shè)計理念，利用UG建立了導(dǎo)纜裝置的三維模型，并進行了裝配檢查和質(zhì)量分析，得到了導(dǎo)纜裝置的預(yù)估質(zhì)量。后期導(dǎo)纜設(shè)備與其它設(shè)備經(jīng)過模擬布局及現(xiàn)場調(diào)試可知，導(dǎo)纜裝置不僅能有效的保護線纜，同時也使得甲板設(shè)備的空間布局更為合理。