深海勘探吊放绞车试验台设计与强度分析

胡燕平，吴 佳，郭 勇

（湖南科技大学 机电工程学院，湖南 湘潭411201）

深海勘探吊放绞车试验台设计与强度分析

胡燕平，吴 佳，郭 勇

（湖南科技大学 机电工程学院，湖南 湘潭411201）

为了实现深海勘探用吊放绞车承载能力、主动升沉补偿能力、制动能力以及关键部件滑轮和缆索的承载能力测试，设计了一种基于塔式配重和液压驱动的组合型绞车试验台。针对试验台塔架的几何结构，分析了其在试验过程中绞车突然制动所承受的冲击载荷，以及塔架的约束情况。基于 ANSYS有限元软件，利用梁、壳单元建立塔架有限元模型，对该塔架进行了静态分析，得到了各关键部位的应力、应变分布规律，提出了主要结构设计改进方案。建立的塔架有限元模型以及计算结果能为同类塔架的设计和优化提供理论依据。

绞车；塔架；主动升沉补偿；ANSYS

0 引言

在深海勘探作业中，需要用绞车吊放重达20t的深海勘探装备，绞车安装在考察船的甲板上，绞车在吊放过程中随波振荡。为了使绞车挤带绳不产生大的冲击载荷，绞车需要自动调整收放速度以补偿船的升沉运动，我国目前还没有生产能适应上述工况的吊放绞车。湖南科技大学正在研制适应深海勘探装备吊放用绞车，为此需开发深海勘探用绞车试验装置。

现有的绞车试验台，根据其结构的不同分为塔式试验台和液压试验台。塔式配重试验台工作原理为：绞车的钢丝绳穿过钢架底座上定滑轮和塔架上端定滑轮，起吊标称配重进行测量；绞车的拉力通过改变配重的质量来测定；绞车的提升速度是由测量缆索某点通过设定距离的时间间接获得。采用这种测试方式，为测得绞车的制动能力需要大量配重，测量的绞车提升速度为平均速度无法测出绞车的速度变化。液压试验台采用液压油缸拉绞车缆索，通过测量油缸压力间接获得绞车的承载能力和缆索的承载能力，能实现负载试验，但绞车的其它性能无法通过该方案获得[1-3]。

本文提出的试验台采用塔架和液压组合方式，塔架测试绞车在正常提升过程中的升沉补偿能力，液压油缸测试绞车的最大制动力以及零部件的最大承载能力。本文在试验台机构设计基础上，分析了试验过程中的塔架载荷，应用Ansys软件分析了塔架的应力，优化了塔架结构。

对于塔架的设计和分析，国内外学者已经做了大量研究工作。澳大利亚的FGAl-Bermani和SKitiponrhcai等人[4]采用梁单元来计算模拟铁塔杆件，计算塔架的极限承载力。赵立新等[5]分析了影响塔架静强度、模态、稳定性、疲劳强度等关键因素，并对塔架进行了优化设计，为大型风力发电机组承载部件的分析和设计提供了可靠的依据。崔强等人[6]采用有限元分析软件ANSYS对塔架进行动力学分析，探讨了结构在地震作用下的动力反应特点和一般规律。庄雷[7]等通过对某钢塔架的静、动态分析，探讨如何在ANSYS中利用梁、壳单元建立塔架有限元模型的问题及计算方法。

1 试验台工作原理与结构设计

研制绞车的主要性能指标为：适用于4级以下海况；缆绳直径32mm；额定拉力198kN；最大提升速度1.67m/s；公称速度1.2m/s；主动升沉补偿能力±3m。

参考全国船舶标准化技术委员会专业标准，船用地质绞车(CB* 3150-83)的4.1.2.2负载实验规定，以50%、100%、125%卷筒最大拉力进行吊装实验。根据船用地质绞车(CB* 3150-83)4.1.2.3卷动器制动实验规定，在吊重为125%最大拉力时，当重块吊离地面0.2m时停车，卷筒制动器停车，脱开卷筒离合器，加载至1.5倍卷筒最大力矩，停留2min。考虑到今后发展需要，试验台按额定载荷300kN计算，实验负载载荷375kN，卷筒制动载荷取450kN。根据试验要求，设计塔架总高为19.5m钢结构塔架，钢结构主要有钢梁和钢板两类构件，钢梁包括主梁、斜梁和横梁,钢板主要是滑轮安装座。根据材料力学理论计算，确定钢梁为角钢和H型钢，角钢材料为Q345，(GB/T 9787-1988)型号20角钢为主梁，型号8角钢为斜梁和横梁，H型钢材料为Q690，热轧H型钢(GB/T11263-1998)类别HW(宽翼缘型)，型号414×405。钢板厚度35mm，材料为Q690。试验装置图如图1所示。

图1 试验装置图

试验台的主要性能指标：适用于4级以下海况；额定拉力300kN；最大提升速度1.67m/s；公称速度1.2m/s；主动升沉补偿能力±3m；缆绳直径40mm。

试验台通过塔式配重试验实现了绞车升沉补偿性能和绞车承载能力测试。下导向轮装在地基上，在下导向轮轴承处安装转速传感器，在配重块与钢丝绳连接处安装拉力传感器。在试验过程中，由绞车拉动配重块上下往复运动，传感器测出任意时刻的转速与拉力，从而测出绞车承载能力、绞车收放速度以及主动升沉补偿能力。试验台用液压驱动油缸对绞车进行制动能力测试以及零部件的最大承载能力测试。图2为液压系统原理图。

图2 液压系统原理图

液压站采用移动式液压站，其工作原理如下：当换向阀处于中位时，液压缸不动，当换向阀的左位或右位接入回路时，泵向液压缸供油，使得活塞能够左右运动。当系统压力达到安全阀所设定值时，安全阀打开，控制液压油缸的最大压力。

2 有限元分析

2.1 模型建立和网格划分

在分析整个塔架的刚度和薄弱环节等力学特性时，细致地描述一些非关键结构的细节，不但增加建模的难度和单元的数目，还会使有限元模型的单元尺寸变化过于剧烈而影响计算精度。为此，在建模过程中对塔架结构中的小孔、螺栓等小尺寸结构做简化处理。塔架连接结构复杂，单一单元模式无法实现网格划分。为了解决塔架网格划分问题，采用复合单元对桁架进行分配来实现网格划分。针对桁架各结构的特点，主梁、斜梁、横梁采用梁单元，钢板采用壳单元。此外单元类型选择梁单元 BEAM188、壳单元SHELL181。由于塔架结构复杂，如果直接实体建模，网格划分困难，建模时采用ANSYS命令流，生成点、线、面，在分别对线和面赋予相对应的单元类型，再进行网格划分，共划分49506个单元，25552个节点，网格模型如图3所示。

图3 塔架有限元模型

2.2 边界条件设定及载荷施加

塔架自身受力复杂，除塔架自重外，还有塔架所受风载荷和配重冲击载荷。在进行绞车负载试验时，试验条件是在无风情况下进行。本文分析静载荷包括塔架构件的自重以及绞车负载载荷，计算出塔架在试验过程中承受自重、冲击载荷时整个系统的应力及变形情况。本文只对塔架进行分析，不考虑地基基础的受力，将塔架与地基连接处当成固定支撑，进行静力分析时，只需要将该节点处6个自由度全部约束。

不计阻尼，配重在上升过程中绞车突然制动，重物在惯性作用下继续上升，到达最高点时的位移大于重物作用下的钢丝绳变形量，配重下降，到达钢丝绳自由长度时，钢丝绳变形产生振动，以钢丝绳在重物作用下的静平衡点为运动零点和时间起点，向下为正方向，则配重振动方程为：

由能量平衡公式：

式中，h为配重在惯性作用下最大上升位移；v为绞车提升速度1.67m/s；x0为钢丝绳在配重作用下的静变形量；ν1为钢丝绳自由长度时的瞬时速度；A1为振幅；k为钢丝绳弹簧刚度；E为弹性模量，206GPa；η为钢丝绳充满系数0.46；L为钢丝绳长度40m；a为钢丝绳截面积；T1为塔架受的最大冲击载荷；m为塔架配重质量

配重在匀速下降过程中，绞车突然制动，不计阻尼，钢丝绳和配重构成无阻尼自由振动，振幅为A2，以钢丝绳在重物作用下的静平衡点为运动零点和时间起点，向下为正方向，配重振动方程为：

由能量守恒定律得：

式中，T2为塔架受最大冲击载荷。

求出上述两种情况的振动方程分别为：

在试验过程中，塔架受力点是两滑轮与钢丝绳接触处，在确定塔架加载力时，为了简化计算,将该部分载荷作为集中载荷施加到滑轮安装座上，如图4所示。

在任意时刻有：

式中，μ为滑动轴承摩擦系数，取0.07。

图4 滑轮安装座受力简图

经计算，滑轮安装座受力大小见表1。

表1 计算结果及参数

2.3 试验台塔架静态应力、应变分析

在输入给定参数之后，运用solve求解模块进行求解，得到的整个的应力云图和位移云图见图5(a)、(b)。调取的塔架各个关键零件的最大应力和最大位移见表2。由表2可看出，塔架整体最大应力为570.7MPa，塔架整体最大变形量为58.9mm。考虑到钢材材质以及其他不确定因素，安全系数应取1.5以上。由表2可知，主梁安全系数1.1，结合图6可知最大应力发生在主梁顶部边缘处，考虑到主梁安全系数太低，换用材质为Q690角钢，安全系数为2.2。滑轮安装座安全系数1.2，最大应力为570.7MPa，为整个塔架受力最大的零件，安全系数太低，可将滑轮安装座底板板厚度增加10mm。优化后的滑轮安装座应力云图见图7，最大应力402MPa，危险点在底板两侧右边缘处。H型钢梁和斜梁安全系数分别为2.9、3.5，安全系数足够大，满足要求。

图5 塔架整体应力(MPa)和应变云图

表2 各关键部位应力应变

图6 主梁应力云图(MPa)

图7 优化后滑轮安装座应力云图(MPa)

3 结论

1）本文依据湖南科技大学正在研制的适应深海勘探装备吊放用绞车，设计了一种塔式配重和液压驱动组合型绞车试验台。

2）本文分析了试验台塔架在绞车提升过程中突然制动所受的冲击载荷，以及塔架的约束状态。基于ANSYS 14.0 有限元软件建立了塔架仿真分析模型。

3）获得了塔架在冲击载荷作用下的应力和应变，根据塔架关键部位的应力分布，对塔架结构进了优化，并能为同类复杂塔架的设计和优化提供理论依据。

[1]王雪雁,黄小龙,滕启,等.机械传动试验台的研制与应用[J].实验技术与管理,2004(6):101-105.

[2]崔金涛,吴乐奇.矿用绞车试验台的设计[J].矿山机械,2010(17):55-58.

[3]王金利,章伯超,吴海华.矿用绞车综合性能试验台的研制[J].煤矿机电,2014(2):111-113.

[4]Al-Bermani F G,Kitipornchai S.Nonlinear analysis of transmission towers[J].Eng.Struct,1992,14(3):16-20.

[5]赵立新.风力发电机塔架的有限元分析与优化设计[D].长春:吉林大学,2008.

[6]何文飞.高耸格构式塔架风振响应研究[D].长沙:湖南大学,2009.

[7]庄雷,潘宏侠.钢塔架结构的静动态分析[J].起重运输机械,2009(7):46-49.

瓦锡兰侧推器通过LR型式认证

（来源：中国船舶新闻网）

日前，瓦锡兰WTT 11侧推器成功通过了英国劳氏船级社（LR）型式认证。据悉，该认证流程的最后一步是对专业制造工厂进行生产质量保证检验，即工厂审核。作为制造厂商的瓦锡兰推进装置（无锡）有限公司此次顺利通过审核，并在中国推进器生产企业中首次获得LR型式认证。WTT 11侧推器属于瓦锡兰公司新一代侧推器解决方案产品组合。一个完整的侧推器获得 LR型式认证尚属首次。通过型式认证意味着该推进器将不再需要针对每艘船或船体代号接受设计评审，能够大幅节省成本和生产时间，从而缩短产品交付周期。

据了解，瓦锡兰WTT系列侧推器最大功率达4500kW，其中WTT 11最大功率为1100kW，采用电机驱动并能够使用可调或固定螺旋桨推进方式，每台推进器组件的水动力性能都按照最新的计算流体动力学（CFD）分析进行优化。LR的此项型式认证适用于所有WTT 11选配件并能作为WTT系列中其他变型（尺寸）的范本。此外，WTT系列对润滑系统的设计也均符合与环保相关的最新要求。

Design and Strength Analysis of Test-bed for Deep-sea Exploration Dipping Winch

HU Yan-ping,WU Jia,GUO Yong
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)

In order to realize carrying capacity,active heaving and sinking compensation and stopping power of the dipping winch for deep-sea exploration and bearing capacity test of the key parts of the pulley and the cable,a combined winch test-bed based on the counterweight tower and hydraulically driven is designed.Aiming at the geometric structure of test-bed tower,the tower subjected to impact load by winch brake and its constraint condition during the test process are analyzed.Based on ANSYS finite element software,the finite element model of the tower is established.The static analysis of the tower is carried out.The stress and strain distribution of the key parts is gotten.Main structural design improvement project is proposed.The finite element model of the tower and calculation results can provide a theoretical basis for the design and optimization of the same tower.

winch; tower; active heave compensation; ANSYS

U664.4+4

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.004

湖南省重大专项(2014FJ1004)资助；湖南省教育厅产学研基金资助项目(11CY020)

胡燕平（1957-），教授，博士，研究方向：矿山机械、流体传动与控制等。