绞吸挖泥船绞刀长轴系轴承支反力计算方法研究

林 挺

（上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200030）

0 前言

在近十几年中，通过学习分析国外先进疏浚船舶的相关动态与资料，结合研究成果及应用经验，国内高校及科研机构、船厂合作研发了一系列大型绞吸挖泥船，使我国在绞吸挖泥船及配套设备的研发上取得明显进步，正逐步打破外国的技术垄断。配套疏浚装备研制，是绞吸挖泥船制造的核心技术，而绞刀轴系作为绞吸挖泥船挖掘系统的核心装备之一，其技术的重要性不言而喻[1]，必然成为行业技术研究的主要对象。在实际应用中，由于恶劣的施工环境及复杂的工况，为绞刀提供直接动力的绞刀轴系承受着巨大的工作载荷，其运行状态决定绞刀的工作效率，最终影响工程成本，因此，对绞刀轴系的研究成为绞吸挖泥船制造、使用、管理的主要课题之一。

本文主要对绞吸挖泥船绞刀架及安装在绞刀架上的绞刀长轴系进行系统性分析，研究如何计算绞刀长轴系轴承的受力，为绞刀长轴系的校中计算、安装调试提供依据。

1 绞刀架和绞刀轴系

绞刀架位于绞吸挖泥船船体凹槽内，一端铰接在主船体上，另一端通过起桥滑轮和起桥钢丝绳悬挂在龙门架上。由于有横向力的作用，所以绞吸挖泥船的绞刀架必须具有一定的刚度，大型绞吸挖泥船往往使用双箱梁结构，并通过纵向与横向的连接予以加固。绞刀轴系安装于绞刀架上，是绞吸挖泥船的重要组成部分，其主要功能是将动力源输出的动力稳定、高效地传递到头部机械式绞刀，达到驱动绞刀对土层进行切削作业的目的。绞刀轴系按轴系长度不同，可分为短轴式绞刀轴系及多支承长轴式绞刀轴系（简称绞刀长轴系）。

绞刀长轴系通过多个中间轴承支撑于绞刀架顶部，从齿轮箱输出端到绞刀之间的传动轴由多段轴连接而成；传动轴穿过绞刀架首部结构的绞刀轴承与绞刀相连（如图1所示）。该类型绞刀轴系，通常尾部以电机作为动力源，通过齿轮箱、多段支撑于滑动轴承箱的传动轴，传递扭矩驱动绞刀进行作业。

图1 绞刀长轴系布置图

2 绞刀轴系有限元法校中计算

根据《船舶轴系校中原理及其应用》一书中描述的理论，在应用有限元法中的位移法对轴系进行校中计算时，先将呈平面弯曲的轴系划分成为若干个有限的梁段每一段梁段都是等截面的，称之为一个单元。单元与单元的连接点，称为节点。然后求出每一个单元的刚度矩阵，把全部单元的刚度矩阵分割并按一定规律组合，则可以得到结构轴系的刚度矩阵，结合轴系结构受力和约束条件等边界条件，可以求出作用在每一个节点上的集中力，弯矩及转角。因此，应用位移法应该先求解出各个节点上的位移，再按照位移求出指定截面上的剪力，弯矩及轴承载荷。为此，应该按照轴系校中的约束条件对结构刚度矩阵进行处理，才可以进行求解。约束条件是指对结构（轴系）的某些节点的位移进行必要的限制[2]。

结合上述轴系有限元法校中原理，绞刀轴系通常以合理校中作为校中原理，采用有限元法进行校中计算。当轴系进行合理校中时，轴系各轴承沿垂直于轴线向方向产生位移，这时则按照各轴承的合理位移值为约束条件对结构刚度矩阵进行处理，从而求出轴系合理校中时的制定轴截面的挠度、转角、剪力、弯矩及轴承负荷[3]。为此，分析及计算各轴承处的支反力是校中计算的必要条件。

由于轴系结构的刚度矩阵的生成是一个十分复杂的过程，需要大量的数学计算。所以，在按有限元法进行轴系校中计算时，利用MSC.PATRAN软件中自动生成刚度矩阵的功能，快速，准确，方便的将轴系结构的刚度矩阵生成并解出结果[4]。

3 绞刀架受力分析与计算

绞吸挖泥船的施工过程中，绞刀架绕根部的铰轴转动，使绞刀在最小挖深至最大挖深之间工作。因此，研究人员需选取绞刀架水平悬吊状态、最小挖深的工作状态、最大挖深的工作状态、最小挖深的放置状态、最大挖深的放置状态等五种工况来进行分析。其中，工作状态下的绞刀架受到了绞刀切削反力、横移钢丝绳牵引力、绞刀架和设备自身重量等三部分工作载荷；而悬吊和放置状态下则只把绞刀架和设备自身重量作为计算参数（绞刀架受力如图2所示）。

图2 绞刀架受力示意图

由上文描述，可以知道要计算安装在绞刀架上的绞刀长轴系的各个轴承支反力，除了需要确定绞刀的工作载荷之外，还必须计算出绞刀长轴系各轴承位移的具体数值。因此，研究人员首先需要对绞刀架各种状态下的受力情况进行分析计算，并通过建立绞刀架有限元模型，将各工况绞刀架工作载荷加载到绞刀架有限元模型中，进而算出绞刀长轴系各轴承位移量。

绞刀架结构的有限元数值模型选用板单元和梁单元两种单位进行组合，采用组合模型的方式建模。其中，绞刀架结构板材、强横梁以及纵桁板材的腹板均采用两种板单元来模拟（三节点和四节点）；纵桁板材和肘板的面板、绞刀轴系则采用梁单元（两节点）来模拟。关于绞刀架各种载荷的施加，则通过多点约束MPC（Multi-point constraints）作用到绞刀架相应的结构上。例如，绞刀架疏浚设备的惯性力通过将集中质量单元设置在质心，并将该集中质量单元通过MPC传到安装底座上；绞刀架两侧横移滑轮和首部绞刀的作用力，则同样通过MPC将这两作用力分别设置在两独立节点上（绞刀架整体结构有限元模型见图3）。由于篇幅有限，因此本文以某型绞吸挖泥船绞刀架最小挖深工作状态为例，将绞刀架在各个工况下工作载荷转化为节点力加载在对应的节点上，对绞刀架整体结构的有限元模型进行了强度分析（描述应力和位移计算情况如图 4、5、6）。

图3 绞刀架整体有限元模型

图4 绞刀架整体应力图

图5 绞刀架整体（除绞刀轴外）位移图

图6 绞刀轴位移图

由此可得到该型绞吸挖泥船绞刀架最小挖深工作状态时，绞刀轴各个节点的位移量（如表1），为下一步计算绞刀长轴系各轴承处的支反力做准备。

表1 工况2的绞刀长轴系各轴承在各方向分量上的位移

4 绞刀长轴系各轴承受力分析与计算

为了计算绞刀长轴系各轴承处的支反力，先将绞刀长轴系有限元模型从绞刀架整体模型中独立出来，然后分各种工况（如表2），将上一步通过绞刀架受力分析计算出的各轴承处位移量和绞刀工作载荷分别加载到绞刀长轴系有限元模型中，绞刀质量以集中质量的形式建立在有限元模型中，则可计算出此时各轴承的支反力。

表2 绞刀长轴系模型边界条件及载荷

其中，绞刀处的反力F可以从绞刀架有限元分析的模型中获得。图7、图8表示了绞刀轴所受到的强迫位移及载荷：

图7 绞刀轴所受约束及载荷示意图（工作状态）

图8 绞刀轴所受约束及载荷示意图（放置状态）

该型绞吸挖泥船绞刀架最小挖深工作状态时，计算得各轴承的反力如表3所示。

表3 绞刀长轴系各轴承在各工况下相对于6米水深工作状态的支反力（N）

5 结束语

本文首先对绞吸挖泥船绞刀架及绞刀轴系在工作状态下的受力情况进行分析计算，并建立一套可较为准确地模拟绞刀架系统实际工况的有限元模型；其次，将绞刀架各种状态下的工作载荷加载至绞刀架有限元模型，计算出绞刀长轴系各轴承在各工况下的位移量；最后，将各轴承处强迫位移和绞刀工作载荷分别加载到绞刀长轴系有限元模型中，形成了绞刀长轴系校中各轴承处受力的分析与计算方法。

绞刀长轴系中各个轴承的受力的计算是一个较为复杂的课题，因为它不仅涉及到整艘绞吸挖泥船的作业方式，而且需要考虑绞刀架结构的工作变形、绞刀工作载荷、横移系统的受力分析以及不可确定的环境因素等多方面问题。因此本文提出的数值模拟方法出于研究探索的目的，剔除一些复杂多变的因素，将计算方法做了简化，其计算结果难免会有所偏差。因此，关于绞刀轴系仍有许多课题需要去研究。