潛水器輸轉系統軌道車設計與框架結構分析

（南京中船綠洲機器有限公司，南京 211161）

鄭加洲，朱曉俊，張曉群

0 引言

本文來源于國家重點科研項目11 000 m載人潛水器水面支持保障系統研制的子課題輸轉系統的研究。鑒于母船甲板空間有限，艉甲板停放2臺運移軌道車，工作時要求軌道車能滿足工作海況下進行載人潛水器的轉運和系固要求。為達到上述目標，項目要求對輸轉系統中軌道車自鎖、抗搖防傾和外形尺寸等關鍵技術進行研究。

輸轉系統工作海況惡劣，承受負載大，且布置空間狹小，因此，本文的研究重點是解決軌道車框架承載問題、可靠安全的自鎖和抗搖防傾設計。軌道車主體主要由各種槽鋼、鋼板等焊接而成，框架復雜，在工作狀況下的強度校核難以通過理論計算進行，因此有必要建立軌道車的結構模型，通過力學分析計算，掌握軌道車的運動狀態，利用有限元分析軟件進行結構分析，掌握其應力分布情況，對軌道車結構進行優化處理，設計可靠的自鎖裝置和抗搖防傾裝置。

1 軌道車設計

1.1 軌道車主要技術要求

軌道車應滿足工作海況下進行載人潛水器的轉運和系固要求。該系統具有軌道車在軌道任一位置自鎖、抗搖防傾等功能，保證潛水器在存放區域和收放區域進行安全轉運。

軌道車的技術目標即滿足工作5級風。在3.6 m的有義波高海況下安全工作負荷為25 t，運行速度為0～5 m/min。

2.2 軌道車主體結構設計

軌道車的外形尺寸為6 200 mm×3 600 mm×1 300 mm，軸距2 800 mm，總重量6 000 kg。車體為框架結構，單個梁高度260 mm。所有驅動機構均安裝在車體內部和下部，車體上表面除導向機構、頂桿裝置和系固吊耳外，其余為平整面板，主要材料為船用鋼板，屈服強度為355 MPa。

2.3 防傾覆和緩沖防撞機構

在軌道車兩側安裝防傾鉤，采用墊片調整防傾鉤與軌道之間的距離，防止由于船舶垂蕩運動造成軌道車跳動，每側各4件。

緩沖防撞裝置主要軌道兩端的物理限位，控制軌道車行駛的范圍，在接觸式限位失靈的情況下，防止軌道車駛出軌道。橡膠緩沖器具有最大的緩沖力，安裝在車體前后兩端，各2件，起到緩沖的作用。

2.4 軌道車系固

根據中國船級社《潛水系統和潛水器入級規范（2018）》附錄B進行船舶航行中系固力計算[1]。系固計算數據作為軌道及軌道車結構強度校核，系固點軌道安裝螺栓和齒條安裝螺栓的數據輸入。軌道車和軌道系固過程中，軌道車對稱布置4個系固點，每個系固點拉1根鋼絲繩系固。軌道車系固連接方式為：軌道車吊耳—卸扣—鋼絲繩壓制索具—螺旋扣—卸扣—甲板吊耳。

軌道車結構設計如圖1所示。

圖1 軌道車結構示意圖

3 工況分析

根據使用海況，輸轉系統軌道車在正常工況下工作時，潛水器整個重量靠4個地腳作用于軌道車，當在風載、波浪和母船傾斜的作用下，可能出現前2個地腳承載、后2個地腳承載和側面2個地腳承載的情況。工況如下：

1）工況1。正常工況，4個地腳作用于軌道車承載。

2）工況2。風載和波浪作用下母船傾斜，前2個地腳作用于軌道車承載。

3）工況3。風載和波浪作用下母船傾斜，后2個地腳作用于軌道車承載。

4）工況4。風載和波浪作用下母船傾斜，側面2個地腳作用于軌道車承載。

4 軌道車框架結構分析

4.1 創建模型及簡化

在保證不影響計算精度的前提下使計算更簡化省時，有必要在創建模型之前考慮到模型的簡化，如忽略不重要的開孔、填平焊縫、簡化螺紋孔和去除不影響分析的零件特征等。本文采用專業三維設計軟件CREO創建軌道車的框架模型，并在創建模型的過程中直接對模型進行簡化，完成后導入有限元分析軟件中生成有限元模型。

經過簡化的有限元模型如圖2所示。

圖2 軌道車框架有限元簡化模型圖

4.2 網格劃分

由于模型采用三維實體建模，選用的單元類型為四面體單元，該單元是10節點實體單元，適合生成不規則網格模型。整體采取默認自動網格劃分。軌道車框架網格劃分如圖3所示。

圖3 軌道車框架網格劃分圖

4.3 邊界條件施加及載荷加載

在軌道車底部4個滾輪軸的位置設定約束：軸線方向旋轉自由度放開，其他自由度約束。

重力載荷可以在軟件中通過直接加載實現；潛水器對軌道車的作用力主要通過加在軌道車地腳上遠程力實現。

工況1～工況4的約束及載荷加載分別如圖4～圖7所示。

4.4 計算結果及分析

經過分析計算，工況1～工況4軌道車框架等效應力云圖分別如圖8～圖11所示。

圖4 工況1軌道車框架約束和加載圖

圖5 工況2 軌道車框架約束和加載圖

圖6 工況3軌道車框架約束和加載圖

圖7 工況4 軌道車框架約束和加載圖

圖8 工況1軌道車框架等效應力云圖

圖9 工況2 軌道車框架等效應力云圖

圖10 工況3軌道車框架等效應力云圖

圖11 工況4 軌道車框架等效應力云圖

由圖8～圖11可知，在正常工況下，即工況1軌道車框架的整體等效應力水平較低，最大在中間橫梁位置，數值為50.416 MPa，遠遠小于屈服強度355 MPa，滿足安全設計要求，參考起重機設計規范[2]。

當受到風載和波浪的影響時，出現潛水器只承載于前2個地腳或后2個地腳，即工況2或工況3的情況下，由于承載位置減少，軌道車框架等效應力水平急劇升高，最大應力主要在前部中間橫梁位置底部或后部中間橫梁位置底部，這2種工況較工況3有最大值，為211.83 MPa，由于該狀態為偶爾發生且不是持續的，安全系數約為1.7，因此是安全的[3]。

工況4中的潛水器有可能作用于某一側的2個地腳，由圖11可知：等效應力最大區域為中間橫梁位置，偏于承載一側，最大值介于工況1和工況2、工況3之間，最大值為139.47 MPa，同樣滿足安全設計要求。

因此，對于軌道車框架而言，滿足強度要求。

5 結論

本文介紹了在惡劣海況下以及有限的母船空間下，設計潛水器輸轉系統軌道車通過對標國外設備，使用三維軟件進行設計，并采用有限元軟件進行強度校核和結構優化，獲得合理的軌道車框架結構，保證了設計的安全可靠。在后續的試驗中滿足起重機設計規范和船舶與海上設施起重設備規范的要求，得到了中國船級社（CCS）的認可，并通過了實船驗證和海試試驗，取得了各方面的一致好評。

潛水器輸轉系統軌道車的成功研制使部分配套設備領域實現了突破，提升國產船舶配套設備的技術水平和市場競爭力，從而帶動國內船舶配套設備產業的發展，最終提高國產設備的市場占有率和裝船率。