一种高速电缆牵引绞车结构力学分析

李艳春，张 雷，白 宗,杨龙霞

（1.武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084；2.中国船舶重工集团公司第七〇四研究所，上海 200031）

0 引言

海洋科考船是用于海洋科学调查、资源调查及地质勘探测量的船舶。随着国民经济的发展和海洋战略权益维护需要，国内科考船的建造和配套越来越重要[1-3]。物探科考用高速电缆绞车系统是科考船上的关键设备和系统之一，主要用于下放和回收勘测仪器，目前国内建造的科考船配套的高速电缆绞车系统主要依赖国外进口，为打破国外相关产品的垄断地位，高速电缆绞车系统国产化问题尤为重要。本文对一种国产化高速电缆绞车系统的牵引绞车进行力学分析校核，验证了牵引结构的可靠性。

1 工况分析

1.1 牵引绞车功能介绍

科考船作业时，科考用光电复合电缆两端分别与水下探测仪、电缆绞车系统联接。通过安装在科考船甲板上的电缆绞车系统下放水下探测仪，当水下探测仪达到水下3 000 m后，电缆绞车通过牵引绞车拖曳作业，当作业完成后，高速回收水下探测仪。

1.2 牵引绞车受力计算

牵引绞车滚筒受力如图1所示，进缆力15 000 N在每个滚筒上缠绕的180°范围内以欧拉形式递增，摩擦系数0.15，递增至150 000 N时就以恒定值缠绕[4-6]。各个槽上的拉力为

力分解到每一圈的分布情况如图2所示。

图1 滚筒受力示意图

图2 滚筒每一圈的受力

2 牵引绞车静力学计算

2.1 材料定义

滚筒体的材料为Q345R；屈服强度为345 MPa；安全系数0.4（满足船级社规范要求）；许用应力为138 MPa；材料密度为7.85×10-6kg/mm3；弹性模量为2×105MPa；泊松比为0.3。

2.2 计算模型离散化

将三维模型导入在WORKBENCH中（图3），使用实体-壳单元“SOLSH190”来模拟滚筒的筋板结构，用实体单元“SOLID186”来模拟主轴结构。单元尺寸为35 mm，单元数量为124 458，网格数量为196 099[7]。

图3 牵引绞车有限元模型

2.3 约束和载荷计算

边界条件：

1）绞车底座以螺栓连接在甲板的机座上。

2）螺栓与底座摩擦接触，底座与甲板摩擦接触。

3）绞车轴与轴承座球铰连接。减速机连接过渡筒和机架，减速机驱动部分与被驱动部分设定为转动副。

4）减速机被驱动部分约束转动自由度，以平衡未抵消的扭矩。其余部分绑定接触[8]。约束条件如图4所示。各部分连接示意图如图5所示。

图4 牵引绞车边界条件示意图

牵引绞车的载荷为15 kN牵引绞车按照单层，欧拉方式进行加载。在额定工况中钢丝绳拉力T=15 kN。该拉力对滚筒的作用为欧拉正压力和摩擦力[4-6]。

图5 牵引绞车各部分连接示意图

进绳端正压力和线摩擦力为

经计算滚筒一上的扭矩为48 467 020 Nmm，滚筒体二上的扭矩29 967 980。由于减速机内部为对称布置的3个行星轮，所以减速机部分的扭力为

由于是对称布置，经计算，附加径向力为 0。螺栓连接的预紧力115 kN。

牵引绞车载荷如图6所示。

图6 牵引绞车载荷（隐藏螺栓预紧力）

2.4 有限元计算

有限元方程如式(1)，根据有限元方程，得出节点位移，进而计算结构不同单元的应力与应变。

采用第四强度理论进行校核，米赛斯等效应力（Von-Mises）即σeqv应当满足以下条件：

式中：σeqv为等效应力；σ1、σ2和σ3分别为第1、2、3主应力；[σ]为许用应力强度[7]。

线性结构的稳定性一般用结构的屈曲来衡量，根据线性屈曲方程：

式中：[S]为应力刚度矩阵；λ是常数；ψ是屈曲模态的形状系数。

进行特征值方法求解，得到屈曲载荷乘子λi和屈曲模态ψi[8-9]。

3 计算结果及分析

3.1 牵引绞车强度分析

牵引绞车的应力分布如图7～图9所示。牵引绞车综合应力为187.6 MPa,为表层局部应力集中，周围应力160 MPa左右，区域很小；筒体应力85.87 MPa，强度满足；轴承座最大应力169.25 MPa，为螺栓孔处应力集中，周围应力140 MPa左右，区域很小，为螺栓预应力引起，不影响使用。结果表明，牵引绞车结构部分绝大部分的强度均小于相应材料的许用应力，应力集中区域很小，根据相关规范的要求，应力集中区域的强度满足要求。

图7 牵引绞车综合应力云图

图8 滚筒体应力云图

图9 牵引绞车支架应力云图

3.2 导向滑轮静刚度及稳定性分析

牵引绞车滚筒最大变形为0.954 mm，减速机安装处最大位移为 0.274 mm。根据相关规范的规定[10]。不影响减速机的运行，结构刚度满足要求。结构一阶屈曲系数23.98，为侧板局部屈曲，一阶屈曲系数很大，稳定性很好。

图10 导向滑轮综合变形云图

图11 牵引绞车结构屈曲

4 结论

通过对分析牵引绞车实际工况分析，结果表明，绞车结构的强度、刚度和稳定性均满足要求。该牵引绞车静强度和稳定性存在一定的余量，结构有一定的优化空间。后续系列化过程中将近一步对结构进行优化设计。