拖曳水池拖车结构方案设计

2015-11-18陈玉龙

机电工程 2015年12期

陈玉龙，雷宇，张亮

(中国船舶重工集团公司第七一○研究所，湖北宜昌 443003)

0 引言

近十年来，我国船舶工业快速发展，目前正处于从“造船大国”向“造船强国”转型的战略机遇期。要成为船舶强国，最主要的是提高研发水平。船型设计和性能预报是船舶设计的主要工作之一，也是船舶设计中的关键技术，集中体现了船舶产品的核心竞争力。船舶性能研究是船舶研发的灵魂，是船舶更新换代的主要动力［1］。

对于船舶性能的研究，主要分为理论方法和实验方法。得益于现代计算机技术的飞速发展，通过数值模拟来研究船舶性能的工作得以蓬勃开展，并取得显著成果。但目前有限的理论模型也是以试验结果为基础的，关于船舶快速性方面的知识，特别是提供设计应用的优良船型以及估算阻力的经验公式和图谱，大部分都是通过船模试验得来。试验是工程应用与科学研究中一种基本和必要的过程，新理论的发展和新船的设计能否达到预期效果，也都需要通过船模试验来验证［2］。船模试验是进行船舶性能研究的重要组成部分，因此世界上造船工业比较发达的国家，无不重视船模试验水池的建设，并相应地发展船模试验技术［3］。

拖曳试验水池是进行船模快速性试验研究的基本设备，也可进行船模操纵性和耐波性的部分试验，是船模性能试验的主要设施之一。目前，我国有大小拖曳水池十余座，主要分布于大学及科研院所中，大部分建于二十世纪七、八十年代。近年来，拖曳水池大多进行了改建，主要改造拖车电控系统及数据采集系统，现代拖曳水池多采用等速度方法进行阻力测试，拖曳水池具备有较好的试验条件，能进行重力式水池中无法进行的试验，它的使用范围广泛，而且便于采用新的试验技术［4-7］。拖车是拖曳试验水池中最重要的技术设备，是做水中性能试验的基本设备，其作用是拖曳模型在试验水池中运动［8］。

本研究以某拖曳水池的拖车为研究对象，对其结构方案设计展开说明，并对关键结构部件进行强度特性分析，期望为水池拖车设计的研究人员提供参考帮助。

1 拖车结构

拖车车体由主梁和端梁组成，前端为控制室，控制室内安装有拖曳系统操控台、测力系统操控台、中央测桥操控台，中部为带导轨的测试桥，测试桥上为可横向运动及升降回转的测试小车，升降杆下端连接测力天平和被试品，整车结构示意图如图1 所示。

组成框图如图2 所示。

2 工作流程

拖车主要实现被试品的安装、调试、装夹及航行试验等，工作流程如图3 所示。

图1 拖车结构示意图

图2 拖车组成框图

图3 拖车工作流程

3 运行参数设计

以拖车中心为基准，其运行行程如图4 所示。该水池有效长度为170 m，可对长度为2 000 mm～7 000 mm的试验模型进行试验。A 点为拖车运行起始点，考虑被试品的安装空间，启动位置距船坞头5 m，初速度为0 m/s，加速度为0.7 m/s2，末速度为7 m/s，加速时间大约10 s，行程为35 m;B 点为速度达到7 m/s的匀速阶段的起始点，匀速阶段行程为80 m，该阶段也是拖车的实际工作阶段;在工作阶段结束后，首先采用电机按一定的减加速度减速运行，产生能耗制动，电机减加速度按－0.8 m/s2设计，减速距离为30.6 m。在强制限位位置放弃电机制动功能，采用抱轨制动，液压抱轨制动力为56 kN，制动减加速度为－2 m/s2，制动距离约为12 m，预留15 m。在运行过程中根据设定的测试时间到达后采用电机减速，到限位位置后，采用液压制动。D 点为停车点，距水池末端20 m。

图4 拖车运行行程图

根据设计选型，制动时滑动摩擦系数μ=0.2，车重M=30 t，车最高速度为7 m/s，则单边制动时加速度:

设单侧制动距离为S1，两侧制动距离为S2，则根据要求:

设单侧制动时间为t1，两侧制动时间为t2，则总制动时间:

由已知条件可知，两侧制动时加速度为:

则:

根据式(1～7)，即可确定t1、t2、S1、S2取值范围，根据实际情况可确定t1、t2、S1、S2取值，本研究根据实际情况经计算得总时间t=t1+t2=3.86 s，总距离S=S1+S2=14.58 m。

4 相关计算

4.1 拖车倾覆计算

被试品水下阻力为F水=1 250 N，阻力倾覆力矩的力臂为L=2.6 m(水下阻力产生倾覆力矩的支点为车体前轮与轨道的接触点)，则被试品产生的倾覆力矩:

设车体自重为G=30 000 kg(不含被试品重量)，重心近似为车体的几何中心位置，被试品质量G1=3 000 kg，总浮力为0，前后轮间距为L=6.5 m，刹车点(轨道面)距车体重心h=0.725 m，刹车点距被试品重心H=2.6 m，启动时车体及被试品共同加速度为amax=0.7 m/s2，则有:

车体自身后倾:

被试品使车体前倾:

故车体总倾覆为车体后倾，其力矩为:

4.2 拖车主梁静刚度及强度计算

拖车受力状态简图如图5 所示。拖车主梁为连接两行走端梁的桥架及吊装被试品的承重构件，单梁翼缘宽度800 mm，高度650 mm，两梁间距1 160 mm。主梁端部为L 形，左腹板厚12 mm，右腹板厚8 mm，上翼缘板厚度16 mm，下翼缘板厚度14 mm。本研究对整体车架采用有限元软件模拟分析，考察其力学特性，车架应力和变形云图如图6 所示。通过分析可得，拖车最大应力17.50 MPa，最大变形小于0.51 mm，小于45#钢屈服强度471 MPa，满足强度要求。

图5 拖车受力状态简图

4.3 拖车固有频率计算

拖车在运动过程中存在较大的加速和减速，设计中为避开拖车固有频率防止共振，对拖车的固有频率进行计算，拖车一阶和四阶振型如图7 所示，拖车1～10 阶固有频率如表1 所示，由表1 可知，拖车的共振频率主要发生在30 Hz～60 Hz 频段。

图6 拖车应力变形云图

图7 拖车振型云图

表1 拖车1～10 阶固有频率

4.4 中央测桥刚度及强度计算

中央测桥为整个拖曳水池的核心测量机构，关乎系统的正常运行。剑体为中央测桥的主要承载部件，其截面形状如图8 所示。本研究以被试品最大加速度2 m/s2计算其力学特性，中央测桥最大应力和变形如图9 所示，通过分析可知，最大应力68.65 MPa，最大变形为16.97 mm，小于45#刚屈服应力471 MPa，满足强度要求。