（船舶与海洋工程专业论文）滩海铺管敷缆船布缆系统研究.pdf

上海交通大学工堡壁主笙查兰查塑篁塾丝塑查丝墨丝 _ _ - 一 滩海铺管缚缆船布缆系统 摘要 r f 甲板导缆系统和直线式送缆机是海底电缆埋设系统的重要 l 组成部分，布置在母船的甲板上，并依靠母船提供动力，使被 敷电缆从母船上的储缆桶内出来后，通过甲板导缆系统能够充 分地退扭和伸展，通过直线式送缆机使被敷电缆平滑地输送到 水中供电缆埋设机埋设。 本文介绍的是一种甲板导缆系统和直线式送缆机的方案设 计，其最大特点是：使被敷电缆从储缆桶内出来后，经过退扭 架、反弯导缆架和水平导缆架后能够充分的退扭和伸展，经过 直线式送缆机以一定的张力通过艉导缆架输送到水中的电缆埋 设机上，并对电缆张力和送、起缆速度的控制有更高的要求。 针对这些特点，本次设计重点为解决这些问题而逐步展开，最 后确定甲板导缆系统中退扭架、反弯导缆架、水平导缆架和艉 导缆架的结构形式和直线式送缆机的驱动方式、输送形式及结 构形式。直线式送缆机采用液压式驱动、四对压缆皮轮和：悬挂 式结构。 、v、 关键词：导缆系蜣、送缆机、张力、驱卉身式、液压强动 圭查壅望垄兰兰堡堡主笙查丝查笪篁塾丝塑查丝墨丝一 t h edis t r ib u tin g c a b l es y s t e mo f t h eo f f s h o r e pip e linin ga n dl a y in gc a b l e s hip a b s t r a c t t h ed e c kg u i d i n gc a b l es y s t e ma n dt h el i n e a rt r a n s p o r t i n gc a b l e m a c h i n ea r et h e m a i n l yp a r t s o ft h es u b m a r i n ec a b l e l a y i n g s y s t e m t h e ya r ea r r a n g e do n t h ed e c ko ft h ep a r e n ts h i p ，s u p p l i e dt h e p o w e rb y t h ep a r e n ts h i p t h ec a b l ec a nb ef u l l yr e m o v e dt h et o r s i o n a n ds t r e t c h e d b y t h ed e c k g u i d i n g c a b l e s y s t e m ，t r a n s p o r t e d s m o o t h l yt ot h ec a b l el a y i n gm a c h i n eu n d e r t h ew a t e rb yt h el i n e a r t r a n s p o r t i n g c a b l em a c h i n ea f t e r c o m i n g f r o mt h e b a r r e lw h i c h s t o r e sc a b l eo nt h ep a r e n ts h i p t h i st h e s i si n t r o d u c e sak i n do fd e s i g n i n gs c h e m eo ft h ed e c k g u i d i n gc a b l es y s t e ma n dt h el i n e a rt r a n s p o r t i n gc a b l em a c h i n e ，t h e b i g g e s tc h a r a c t e ri nt h ed e s i g i n gs c h e m ei s ：t h ec a b l ec o m i n gf r o m 2 圭查茎兰垄兰三堡翌主笙查 鲨查笪堂塾丝塑查丝墨坠 t h eb a r r e lw h i c hs t o r e sc a b l ec a i lb ef u l l y r e m o v e dt h et o r s i o na n d s t r e t c h e da f t e rg o i n gt h r o u g ht h er e m o v i n gt o r s i o nf r a m e ，t h ea n t i - c u r v e dg u i d i n gc a b l ef l a m ea n dt h eh o r i z o n t a lg u i d i n gc a b l ef r a m e t r a n s p o r t e ds m o o t h l yt o t h ec a b l e l a y i n gm a c h i n e u n d e rt h ew a t e r m a i n t a i n i n gac e r t a i n l yt e n s i o na f t e rg o i n gt h r o u g ht h es t e r ng u i d i n g c a b l ef r a m e ，a n dt h i st h e s i sm a k e sah i g h e rd e m o n do nc o n t r o l l i n g t h ec a b l e t e n s i o n ，f e e d i n g c a b l e s p e e da n d t h e l i f t i n gs p e e dt h i s d e s i g n i s g r a d u a l l yd e v e l e p e d t os o l v ea b o v e d p r o b l e m s e m p h a s i z e l ya c c o r d i n gt ot h e s ec h a r a c t e r s ，d e t e r m i n e st h es t r u c t u r a l f t y p eo ft h er e m o v i n gt o r s i o nf r a m e ，t h ea n t i - c u r v e dg u i d i n gc a b l e f l a m e ，t h e h o r i z o n t a l g u i d i n g c a b l ef r a m ea n dt h es t e r n g u i d i n g c a b l ef r a m ei nt h ed e c k g u i d i n g c a b l e s y s t e m ，t h ed r i v i n g t y p e ，t r a n s p o r t i n gt y p e a n dt h es t r u c t u r a l t y p e o ft h e l i n e a r t r a n s p o r t i n g c a b l em a c h i n e t h el i n e a r t r a n s p o r t i n g c a b l em a c h i n e a d o p t sh y d r a u l i cd r i v i n g ，f o u rc o u p l e s o f p r e s s i n g c a b l er u b b l e + w h e e l sa n ds u s p e n d i n gt y p es t r u c t u r e k e y w o r d s ：g u i d i n gc a b l es y s t e m ，t r a n s p o r t i n gc a b l em a c h i n e ， t e n s i o n ，d r i v i n gt y p e ，h y d r a u l i cd r i v i n g 3 上海交通大学工堡翌主笙查鲨塑塑堂墼些丝查丝墨丝 一一 第一章设计任务的分析论证 甲板导缆系统和直线式送缆机是海底电缆埋设系统的重要组成部分，布置 在母船的甲板上，并依靠母船提供动力，使被敷电缆从母船上的储缆桶内出来后 通过甲板导缆系统能够充分地退扭和伸展，通过直线式送缆机使被敷电缆平滑地 输送到水中供电缆埋设机埋设。铺设的电缆直径小于等于1 5 0 m m ，直线式送缆机 能够提供的送、起缆能力为8 吨，送、起缆速度为每分钟3 米至1 5 米。 在敷设电缆的过程中，敷设缆的状态( 形状、张力等) 直接影响到电缆敷设 的质量。若电缆带扭，没有充分的伸展，将会使电缆在经过直线式送缆机时带有 t一定的扭矩电缆的张力和输出速度不匀，在经过电缆埋设机埋在海底时，由于 自身带有一定扭矩，在海底的位置不一，为以后的埋设质量留下隐患，所以甲板 导缆系统( 退扭架、反弯导缆架、水平导缆架、艉导缆架) 的设计成功与否直 接会影响电缆埋设的质量。若电缆过松，将会使其与海底接触、缠绕，增加磨损 造成浪费：若电缆过紧，当超过其所能承受的极限张力时，会造成电缆的损坏乃 至拉断。因此，必须对所敷设电缆的张力进行控制，而直线式送缆机是控制敷殴 电缆张力的主要设备，所以直线式送缆机的设计成功与否，也会喜接影晌电缆敷 设的质量。 仔细研究国内外一些公司成功设计的布缆系统，其甲板导缆系统都能够使所 般设的电缆充分地退扭和伸展，直线式送缆机的驱动形式都广泛地采用液压驱 动，这是他们的设计取得成功的原因之一。目前，液压传动技术在各种作业机械 上海交通大学工堡翌主垒查 兰塑笪重塾丝丝查丝墨竺一 上已广泛应用，主要因为这种传动形式具有众多优点，它容易把旋转运动变为往 复运动，容易实现无级变速安装布置方便，电液结合，可实现作业机械的自动调 节和自动控制。本设计任务与所参考的布缆系统在导缆形式和驱动形式的要求上 有共同点，因此借鉴前人成功经验，在本次设计中的甲板导缆系统中设有退扭架、 反弯导缆架、水平导缆架和艉导缆架，直线式送缆机采用的液压驱动。 本设计任务与所参考的布缆系统比较，还具有许多不同点。本设计要求所 敷设电缆的直径小于等于1 5 0 m m ，直线式送缆机提供送、起缆能力为8 吨，远大 于所参考布缆系统所提供的能力。要达到此目的，可以从三方面入手：是增大 甲板导缆系统的尺寸；二是增大被敷电缆的接触面积：三是增加正压力( 即增大 压强) 。 f 由于甲板导缆系统对被敷电缆退扭、伸展的好坏和直线式送缆机对被般电 缆张力控制的好坏直接影响电缆的敷设质量，因此还必须设计出一种合适的结构 形式，使之能达到设计要求，即能顺利的退扭、伸展并能准确测出电缆张力大小 以便进行调节控制。 2 上海交通大学工堡翌主堡查兰查塑重塾丝丝查丝墨丝 _ - _ 一一 第二章确定设计任务的具体方案 方案设计阶段，我主要参考了中英光缆公司的布缆系统图纸资料。通过进一 步研究，了解到中英光缆公司的布缆系统也有导缆系统，目的是使所敷设的电缆 能够充分地退扭和伸展，送缆机采用液压驱动、由两组皮轮输送，悬挂式结构。 该系统选用两组皮轮直径为3 5 0 m m ，能提供1 吨的送缆力。 对比现有资料和将要设计的布缆系统要求，根据设计任务的主要特点，现 在确定具体方案如下 2 1甲板导缆系统 2 1 1 退扭架 由于所用储缆桶直径为8 ，每圈电缆的最大长度达2 5 ，必须有足够的架空 度让电缆退扭，因此退扭架设计的高度为6 8 8 m 。再加桁架高9 m ，扣除储缆桶 高4 ，净高有1 1 8 8 m 1 5 8 8 m ，退扭架扇形弦长1 0 3 6 m ，其弧线长度达9 m ，因 此带扭电缆经退扭架一上一下，有足够的长度让其伸展退扭。导缆槽宽度2 6 0 m m 导缆辊直径1 0 0 m m 。 2 1 2 反弯导缆架 电缆从退扭架下来导向甲板尾部有一段反弯行程，在退扭架出缆端正下方的 甲板上设计了一座反弯导缆架。根据弯曲半径的需要，反弯导缆架设计成4 5 m 高，5 47j n 长的桁架结构，导缆槽宽度为2 6 0 m m 。 3 上海交通大学工程翌主笙查 兰墨塑篁塾丝塑查竺墨丝 一 一 213 水平导缆架 从反弯导缆架出来经直线式送缆机再到艉导缆架之间有1 7 m 的距离，为此 我们设计了三只相同的水平导缆架均布在这段距离上。水平导缆架设计成长4 - 2 m ， 高1 2 1 导缆槽高度为1 2 l m ，导缆槽宽度2 6 0 m m ，导缆的中心高度为l m 。 214 艉导缆架 艉导缆架主要是将电缆导入水中。根据其功能，艉导缆架后部设计成弧形 长度5 6 m ，甲板上高1 2 1 m ，其中安装在甲板上的长度为2 4 5 m ，其余： 1 5 m 伸 向艉舷外，后部伸向甲板下1 6 m ，后部弧形弯曲半径为2 8 3 m 。 2 2 直线式送缆机 22 1采用液压驱动 在本设计中所选用的液压驱动，除了前面提到的液压驱动具有的普遍优点 外，还具有特殊的优势，即液压驱动系统体积小，结构简单。安全可靠。 设计任务书要求设计出的送缆机能提供给电缆以恒定张力，若采用其他驱 动方式，将很难满足要求，而且结构十分复杂。现在所采用的液压驱动，不需人 工频繁调节，而根据需要力的大小，自动调节转速，甚至转向。放缆时，当张力 偏大，送缆机会提高转速，加快放缆速度；反之会减慢放缆速度。若电缆在海底 有堆积，则送缆机会反向转动，将多余电缆收回。采用液压驱动对于获得不同正 压力的控制也将十分便利通过液压缸只需调节油压大小即可。 4 ，r ，蠢、o ， 。 “齐 6 i 0 。? ” 离蕊漱辅豢蕊 上海交通大学工程硕士论文滩海铺管敷缆船布缆系统 2 2 2采用四对压缆皮轮 参考国内一些公司企业设计的送缆机，大多采用履带式输送结构，在比较了中 英公司设计的送缆机之后，认为轮胎式输送机构具有更多优点：它结构简单，安装 制造方便，易于实现控制，具有灵活性若用4 组皮轮，每组都能单独使用，与3 组 不同的压力控制阀配合，能获得1 2 种不同的扭矩，即能使电缆产生12 种不同的张 力，能更好地满足设计要求。 对比本设计任务中的直线式送缆机与中英光缆公司送缆机，最大的不同点是 所需拉力大大增加。要解决这个问题，可以从两个方面入手：增大压强和接触面 积。要产生8 吨的摩擦，按“= 0 8 计算，一对皮轮所需正压力为8 2 + 0 8 = 5 吨 对于电缆的承受能力来说太高。因此考虑多组皮轮。若采用4 组每一组正压力 为5 4 = 1 2 5 吨，可以接受。当每组皮轮产生拉力一定时直径越小扭矩越小，但 直径过小会使电缆接触面积减小从而使压强过大，有可能超过电缆承压上限而 损坏电缆。权益两个方面，取直径为6 0 0 m m 。若按普通皮轮设计，每组产生一吨 拉力，所需压强还是非常大。因此考虑增加接触面积，在皮轮上开v 型槽，经试 验这种状况下，每个皮轮与电缆的接触面积约为5 0 0 m2 ，则压强 p 2 1 25 1 0 3 5 0 2 2 5 k g c m2 ，而一般空心气体轮胎承压范围为4 6k g c m2 ，因此必须 使用实心橡胶轮胎，其承压可达3 0k g c m2 。 223 采用悬挂式结构 要达到控制电缆张力的目的，必须可以随时测出其张力大小。因电缆是不 5 上海交通大学工程硕士论文滩海铺管敷缆船布缆系统 断运动变化的，要直接测出几乎不可能，因此考虑间接测出。根据作用力与反作 用力的原理将力大小不变地经皮轮传递到内框架上，测出值要求没有其他力干 扰，这里主要是克服内框架在水平移动时的摩擦阻力。参考其他送缆机的解决方 法，考虑多方因素，根据本设计的特点，最后选用悬挂式结构。内框架在水平方 向几乎不受力，但实际又是固定的其结构简单图如图2 1 所示。 图2 一l悬挂式结构 6 上海交通大学工程硕士论文滩海铺管敷缆船布缆系统 3 1 甲板导缆系统 311退扭架设计 第三章设计说明 由于母船有两只储缆桶，退扭架设计成可安装在桁架上的两个工作位置自 身能绕基座转动的扇形架，见图3 1 。 由于储缆桶的直径为8 m ，每圈电缆的最大长度达2 5 m ，必须有足够的架空 长度让电缆退扭，为此退扭架设计成6 8 8 高，再加上桁架高度9 m ，扣除桶高4 m 净高有l i 8 8 m l5 8 8 m ，退扭架扇形弦长1 0 3 6 m ，其弧线长度达1 i 9 m ，因此带扭 电缆经退扭架一上一下有足够的长度让其伸展退扭。退扭架采用桁架结构，导缆 槽宽度为2 6 0 m m ，导缆辊直径为i o o m m 。 退扭架基座为圆柱形，其与架体之间可3 6 0 。旋转，并用梢栓固定在所需的 工作角度上，退扭架不用时还可转至与桁架平行，并绕基座耳轴翻转倒挂在桁架 侧面。由于退扭架安装在9 m 高的桁架上，其强度必须符合安全需要。为此，我 们对退扭架的根部及铰接部做了强度估算。 退扭架强度的估算 由于退扭架的受力状态十分复杂，很难做出精确的计算。但又不能不用大 致的数量概念去推断退扭架的强度。为此力学模型做了不少假设，多数假设使 结果偏于安全，如不计电缆的抗弯刚度，作为悬索计算，电缆的一半靠在退扭架 的b c 段上( 见图3 2 退扭架静态受力简图) ，纵、横摇的切向惯性力是在较不利 7 豢纛盏麓鏊 r 上海交通查堂三堡翌主堡查坚查笪篁塾丝丝查丝墨丝 一 的海况下产生的等等。因此，本计算尚可作为安全校核的依据。 1 静态受力计算 ( 1 ) 电缆a b 、c d 段的受力计算 不计电缆的抗弯刚度则a b 、c d 段电缆可视为悬索，按悬锁链线计算 a 、a b 段 s l = a b = 1 4 m ，1 l = 4 m ，h l ：1 2 m ，p 2 7 0 k g f m c t = 厢= 正【河4 = l 8 1 由s hll i1 2 c 1 2 1 8 解得：毛l = 1 9 8 t bh = 1 l p 2 毛l = 4 7 0 2 1 9 8 = 7 0 k g f t b v = 8 i p = 1 4 x 7 0 2 9 8 0 k g f b c d 段 82 = 1 4 i i i ，l2 2 l o m ，h 2 = 4 m ，p = 7 0 k g f m c 2 = j ；一h ；l = = 1 4 2 4 2 1 0 = l1 3 1 sh 毛2 岛= c 2 = 1 1 3 解得：毛2 = 0 8 7 t c = l2 p 2 毛2 = 1 0 7 0 2 0 8 7 = 4 0 2k g f ( 2 ) 退扭架根部e 处的受力 假想割去电缆a b 段和c o 段，用其作用在b c 截面上的力t b h 、tb ，和t 。代 之，这是等效的，于是作用在退扭架根部e 处的静剪力n e 。和静弯矩m e 。只要考虑b ( 飘庙厂、 铴 锄湫 心 念f 5 0 0 ? | | 。一 厂一 | 4 _ - - ，- - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 ! p 。曩u l心7 、一 91 0 jl i 、ij 一朋i 6ilil l i i t - i l l卜 下一r 门_ r 一r 巾一r 一r r i “。i 叫 “ ” 6 “ 1 ” 。， u 一 。a。” ￥_ 。 f u 乡i i + i i 一 1 4 0 0 l 一 1 0 3 6 0 图3 1 退扭架总图 矗a 17 钢珠卡环 1 16 么1 0 0 角钢 1 5 1 602 0 钢管 1 4 1203 0 铜管 1 3 1 西5 0 钢蕾 1 2水平导毵辊轴槽1 8 1 1 饲导毵鞘柏2 0 1 0僻g e 辊 2 0 9永平导缆辊1 8 8螺母 1 m 6 4 7平垫蟹1西7 0 6基座1 5锥形支榘1 4钢珠 3 2 西4 0 i 珠 3 槽垂立桂 22 0 槽钢 2斜捧 4 么1 0 0 角镉 1 主构集 1 序号名称 蔹量 材料 9 上海交通大学工程硕士论文滩海铺管敷缆船布缆系统 - _ _ - _ _ _ - _ - - _ 一- 十_ - _ _ ，_ - _ _ - ，- - - _ - ，_ - _ _ - _ _ - _ _ - _ _ _ - ，- _ _ - _ _ - - _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ 一 d j歹 r 。菸。芬g i 。 l e r 1 0 s o m。l j e z 7 i n 一 l 34 m 16 m j 仨 n 一 川， l l l l i ：。 h 一一一一叫一h 一一， l 刮： 2 j u 架i 弹急慢j j 确h 1 0 上海交通大学工程硕士论文滩海铺管敷缆船布缆系统 段电缆的自重q ，b 、c 端的力t 8 h 、tb ，和t c h 就行了，退扭架的自重因于c f 分布，对e 点只产生轴向压力，对n e s 、m e s 无丝毫影响。 ne s = t bh + t c h = 7 0 + 4 0 2 2 4 7 2 k g f m e s = 5 t b v + ，5 0 q d s x 一5 i 2 t c h l5t b h 其中，5 0q d s x wbb i xb b l + w b l c x b 1c w bb 1 2 2n o b q 4 = 3 1 4 3 4 7 0 2 = 3 7 4 k g f 一一 x b 8 1 2 0 9 r c o s 4 5 。+ i 6 = o 9 o b 4 2 2 + 1 6 = 0 9 3 4 0 7 0 7 + 1 6 = ：j 7 6 m w b , c 4q b l c = 7 0 4i 62 + o 2 22 = 7 0 1 6 1 5 = 1 13 k g f xb l c 0 8 m 所以，5 0q x d x 3 7 4 x3 7 6 + i1 3 0 8 = 1 4 0 6 + 9 0 = 1 4 9 6 k g f m m e s 2 5 9 8 0 + 1 4 9 6 5 1 2 4 0 2 1 5 7 0 = 4 2 3 3 k g f m ( 3 ) 基座根部f 处的受力 于e 处的受力分析类似可得基座根部f 处的受力，显然 剪力n f s = ne s = 4 7 2 k g f 弯矩m f s = 5 tr v + ，5 0 q d s x 一( 5 1 2 + 1 5 ) t c h 一( 1 5 + 1 5 ) t b h 2 5 9 8 0 + 1 4 9 6 6 6 2 4 0 2 3 7 0 = 4 9 0 0 + 1 4 9 6 - 2 8 6 l 一2 1 0 = 3 5 2 5 k g f m 2 静态强度估算 ( 1 ) 上底板截面积及惯性矩计算 截面积 f 2 2 2 8 0 + 2 2 4 6 = 5 0 4 c m 2 惯性矩 上海交通大学工程硕士论文滩海铺管敷缆船布缆系统 i - 2 b lh l3 l2 + 2 b2h23 1 2 十f2 r22 = 2 8 0 3 6 + 2 4 6 2 3 1 2 + 4 6 2 2 1 ： 3 1 7 07 1 04 + 8l l 1 04 = 25 18 10 4 c m 4 ( 2 ) 退扭架根部e 处的应力及强度 许用应力 d - o 。n 。= 2 4 0 1 7 = 1 4 1 2 m p a 许用剪应力 t 一0 6 d = 8 4 7 m p a 平均剪应力t 。= n e s f = 4 7 2 5 0 4 = 0 9 4 k g f c m 2 0 1 m p a t 弯曲正应力o 。= me s h l 2 i = 4 2 3 3 1 0 0 8 0 ( 2 5 18 1 0 4 2 ) = 6 7 2 4 k g f c 2 = 6 7 m p a d 所以剪应力与弯曲正应力均远小于许用值，强度是有保证的。 ( 3 ) 底座f 处固定耳销钉的强度 、- 。 销钉水平剪应力( 由剪应力nr s 引起) 1 i i s = ne s 3 f = 4 7 2 ( 3 2 2 ) = 1 2 5 k g f e , , 2 = 1 2 5 m p a ( 【t 销钉垂直剪应力( 由于弯矩m ，引起) t vs 。m p s d f 7 2 3 5 2 5 ( 1 5 2 n 2 2 ) = 1 8 4 5 k g f c m 2 。1 8 4 5 m p a ( t f _ 销钉截面积 d 一力臂，即一销钉至另二个销钉连线间的垂直距离为1 5 2 ( 4 ) 由于悬链电缆a b 平面垂直于退扭架b c g e f 平面时，悬链水平力t b h 对c e f 轴产生扭转的强度 扭矩 m , r 25 t b h = 5 7 0 = 3 5 0 k g f m 截面抗扭模量 r 圭墨奎望查堂三堡塑主笙查苎塑笪竺塾竺垄查丝墨竺 w t ：2 4 2 x2 2 4 + 2 x4 8 2 2 1 = 4 0 3 2 + 4 0 3 2 = 8 0 6 4 c m 3 剪应力 。2 m t w t 2 3 5 0 1 0 0 8 0 6 4 = 4 3 4 k g f c m2 = o 4 3 4 m p a r 3 动态受力与强度估算 由于船在风浪作用下产生纵、横摇，摇摆时的加速度引起相应的惯性力。 ( 1 ) 横摇 对于一般船舶，横摇周期的下限值t 横= 8 秒，其对应的横摇频率。m ：2n t m 2 2 “8 5 0 - 7 8 5 秒，t 作海况对应的横摇角幅值一般4 、于1 0 。，取中 横：l o “0 1 7 4 5 弧度，划横摇角加速度8m 2 中 横。擅“0 1 7 4 5 0 7 8 5 “0 t 0 8 ；秒2o 由此可计算 出横摇时的法向加速度： a n 横2p 横横2 切向加速度a ：横= p 横2 横 其中9 横是横摇时所论物体至摇摆中心轴的距离。 考虑到电缆a b c 段( 左馨) 的质量大于c d 段( 右段) 而p _ 则相反，放可 近似认为左右两段各自的法向惯性力大小相等，在水平方向的分量互相抵消，且 因为法向惯性力均通过横摇旋转轴，因而可不计a 。横产生的惯性力引起的剪应力 和弯矩a 剩下来只需计算切向加速度a ，横引起的切向惯性力的合力作用线通过 退扭架的重心，退扭架重心至横摇旋转中心的距离r 横t 1 6 5 m 。则a 。横：r * 8m 2 i6 5 0 - 1 0 8 。1 7 8 米秒2 ，电缆a b c d 的质量： m 蟪2 7 0 ( 1 4 + 3 4 2 + 1 7 + 1 4 ) k g = 2 4 5 3 k g 退扭架的质量：m 槊= 2 5 0 0 k g 1 3 上海交通大学工程硕士论文滩海铺管敷缆船布缆系统 切向惯性力：f 。横= ( m 缆+ m 架) a 。横= 4 9 5 3 ( 9 8 x1 7 8 ) 2 8 9 9 - 6 k g f 于是切向惯性力f ，m 引起的 剪力 弯矩 n e 横= n fm = f 。m = 8 9 9 6k g f m em = f ：m d e = 8 9 9 6 3 2 2 6 9 9 k g f m m f # = f 。横d f = 8 9 96 4 5 5 4 0 4 8 k g f m 横摇切向惯性力引起的剪力和弯矩与静态受力时的剪力和弯矩属同一数量 级，故横摇时的动强度亦是有保证的，不必具体计算了。 ( 2 ) 纵摇 对于一般船型t 纵摇周期约为横摇周期的一半，即t 纵= t 横2 = 8 2 = 4 秒 所以”m 2 2 。h 。2 0 7 8 5 2 15 7 秒。纵倾角幅值对于可工作海况取：中 擞= ：j 。= 0 。 r0 5 2 4 弧度t 因此纵摇角加速度8 纵= 中 擞u 纵2 = 0 0 5 2 4 1 5 7 2 = o 1 2 9 秒2 ，切向 加速度：a ：纵= r 纵。纵= r 描8 纵= 1 6 5 0 1 2 9 = 2 1 3 米秒2 由于退扭架位于船舯纵横轴的上方，故与横摇的理由一样，法向加速度a 。m 产生的惯性力引起的剪力和弯矩数值不大可不予考虑。只需计算纵摇时的切向 惯性力 f 。纵2 ( m 境+ m 禁) a 。纵= 4 9 5 3 ( 9 8 2 1 3 ) = 1 0 7 6 k g f 由于引起的动剪力 n e 0 5 n f d = f ，敏= 1 0 7 6k g f 动弯矩 m ed 2 f 。纵xd e = 1 0 7 6 3 = 3 2 2 9 k g f m m f d 2 f 。mx df 2 1 0 7 6 4 5 = 4 8 4 4 k g f m 1 4 上海交通大学工程硕士论文滩海铺管敷缆船布缆系统 将上述纵摇时的惯性力引起的动态内力与前面的静态内力叠加，得 n e 2 n f 2 ne s + ne d 2 4 7 2 + 10 7 6 2 15 4 8 k g f m e 2m e s 十m e d 2 4 2 33 + 3 2 2 9 = 7 4 6 2 k g f m m f 2m fs + m p b = 3 5 2 5 + 4 8 4 4 = 8 3 6 9 k g f m 按疲劳强度计算 o 一。0 2 7 ( gb + o 。) = o 2 7 ( 4 0 0 + 2 4 0 ) = 1 7 3 m p a t 一2 0 15 ( gb + o 。) = 9 6 m p a o 一 = o 一n = o 一。2 = 8 6 5 m p a t = t n = t 2 = 4 8 m p a 退扭架根部e 处的强度 t 。n e f 2 l5 4 8 5 0 4 = 3 0 7 k g f c m 2 = 0 3 0 7 m p a t a 2 ( m f h l 2 ) i = ( 7 4 6 2 1 0 0 8 0 2 ) 2 5 8 x1 0 4 2l 1 8 5 k g f c m 2 = 1 1 8 5 m p a o 底座f 处固定耳销钉强度 1i f 2 n f 3 f 2 15 4 8 ( 3 x2 2 ) = 4 1 0 8 k g f c m 2 = 4 1 m p a t 】 1 v2 m f d f 2 8 3 6 9 ( 1 5 2 n 2 2 ) = 4 3 8 k g f c m2 = 4 3 8 m p a i ii ， 图3 5 艉导缆架总图 c cb b7 1 1螺母2m 2 0 1 0 螵拴 2 9 压教q 港2m 3 0 x 5 0 8 水平导缆辊轴栓 9 7 僻导缆辊轴捎 1 0 l6艉导缆架底座 1 5 张力传j s 器 1 4 压板1 3 饲导缆辊1 0 2水平导藐辊9 1 艉导麓絮 1 l 序号名称 数量备注 。 a 11iiili， 上海交通大学工程硕士论文滩海铺管敷缆船布缆系统 3 2 直线式送缆机 32 1压缆皮轮直径确定 1 考虑到轮胎与电缆的接触面积以及扭矩大小，取轮子直径为6 0 0 m m 。 2 轮胎上槽的设计 为了增加电缆与轮胎的接触面积，在实心橡胶轮胎上开槽。因为电缆直径 有5 0 1 5 0 m m 所以开槽深度要小于2 5 m m ，取h = 2 4 m m ，为梯形槽：上底宽2 0 口m 下底宽i 0 0 。当电缆为最大直径时d = 1 5 0 m ，电缆与槽的切点高度约为1 2 5 i m m = 2 1 6 5 m m 2 4 m m 。轮胎橡胶厚度6 0 m m 。如图3 - 6 所示 3 轮子的结构设计 图3 - 6 轮胎简图 因为轮子直径) 5 0 0 m m ，采用铸造轮幅式结构。 轴径d 2 l o o m m ，d l = 1 5 d = 1 6 0 m m ( 铸钢) ，6 。= 2 0 m m h 2 0 8 d = 8 0 m m ，s = h 6 = s o 6 14 m m 取s = 2 0 m m c = h 5 = 8 0 5 = 1 6 m m e ：0 86 = 0 8 3 0 = 2 4 m m ，取e = 3 0 m m i = i 2 ( j = 1 2 1 0 0 = 1 2 0 m m 2 0 l 滋銮瓣瀛 上海交通大学工程硕士论文滩海铺管敷缆船布缆系统 为了增加结构强度，在幅板上加装肋板，具体的结构形式如图3 7 所示 4 压轮轴的设计 轴头d = 1 0 0 m m 0 图3 7 轮子结构形式 轴环高度h = ( 0 0 7 d + 3 ) 一( o 0 ld + 5 ) = 1 0 一i5 m m 考虑到与轮子之间的联接方式是法兰式，将轴环加高成法兰盘。 取h = 5 0 m m ，轴环宽b = 2 0 m m 轴颈d t = 9 0 m m 轴颈宽b l = 2 8 r a m 此处轴承选单列深沟球轴承2 1 8g b 2 7 6 6 4 ( ：2 7 5 3 k n ，d 2 9 0 m m ，d = l6 0 m m ，b = 3 0 m m ，装配尺寸d 1 = 1 4 9 为装配方便，另一轴颈d 2 = 7 0 m m ，宽b 2 = i7 4 m m 末端轴承选单列深沟球轴承2 1 4 g b 2 7 6 6 4 2 l 、一，! 舡一“| n 蔫鼗， 譬、，h 上海交通大学工程硕士论文滩海铺管敷缆船布缆系统 c = 4 8 7 k n d = 7 0 f i l m b = 2 4 m m ，d = l2 5 m m 装配尺寸d = li6 f i l m 为防止末端轴承外滑，在轴颈末端开槽，装上挡圈。根据具体要求选用轴用 钢丝挡圈g b 8 9 5 1 8 6 7 0 ，适用于轴颈为7 0 m m 的轴，具体尺寸如下 d 1 2 3 2 m m ，d = 6 6 o m m ，b = 5 m m ，沟槽r = i 8 m m 与液压减速箱的联接部分直径与马达一致。 d = 5 0 m m 宽b = 7 0 m m 采用轴套式联接，联轴套筒壁厚2 0 m 长l = 1 1 8 m m 5 承轴架及联接段的设计 r 承轴架及联接段的厚度及长度主要从强度要求固定轴承和马达要求以及轴 承的装配要求出发，具体结构尺寸如图3 - 8 所示 6 压轮轴及轴承的受力分析及校核 ( 1 ) 根据任务书要求送缆及最大能产生8 吨的拉力若橡胶轮胎的摩擦系 数“2 0 8 ，则每个轮上的正压力n = 8 l o 3 9 8 0 8 8 ；1 2 2 5 1 0 4 n ，轴的受力分 析如下： 。；壤；蕊跨章黪爹二 j 褥i ；，- 一j 朝冀 。 上海交通大学工程堡主堡查 兰墨塑篁塾丝堡查丝墨丝一 一一一 o n 0 刊： h 水轴梨乏l 朕| 萎段结构k 圭墨奎望查兰三堡塑主笙查 整塞笪篁塾丝塑互丝墨竺 则f ，xl7 0 = n i 5 0 f 2 = 1 2 2 5 0 1 5 0 1 7 0 2 1 0 8 0 8 8 n f l = f ：+ n = 1 0 8 0 8 8 + 1 2 2 5 0 。23 0 5 8 8 n r = 8 1 0 2 x9 、8 8 = 9 8 0 0 n r 2 = r 1 5 0 1 7 0 = 9 8 0 0 l5 0 l7 0 2 8 6 4 7 n r l = r 十r 2 = 9 8 0 0 + 8 6 4 7 = 1 8 4 4 7 n 合外力：f 自= r 2 + n 2 = 4 9 8 0 0 2 + 1 2 2 5 0 。1 5 6 8 7 6 5 n f l = 4f 1 2 + r 1 2 = 4 2 3 0 5 8 8 2 + 1 8 4 4 7 2 = 2 9 5 2 9 6 5 n f 2 女= f22 + r 2 2 = 1 0 8 0 8 8 2 + 8 6 4 7 2 = 1 3 8 4 2 o n ( 2 ) 轴的强度校核 根据观察分析最大弯矩和扭矩均在离轮较近的轴承装配处a 点因此只需校 核此处就行了。 a 点弯矩：m = f 合x l5 0 1 0 0 0 = 1 5 6 8 7 6 5 i5 0 1 0 0 0 = 2 3 5 3 15n m 扭矩：t = 8 0 0 0 9 8 0 6 ( 2 8 ) = 2 9 4 0 n m 合弯矩：me = 4 m2 + ( at ) 2 = 2 3 5 3 i5 2 + ( 0 6 2 9 4 0 ) 2 = 2 9 4 0 9 2 n m 而4 5 ”铜调质时ab = 6 5 0 n n 2 0 - l b = 6 0 n m m 2 ， oo h = l o o n m m 2 a = d - db ao b = 6 0 1 0 0 = 0 6 a 点处轴的抗弯剖面模数 w = nd3 3 2 = x0 0 9 9 0 2 3 2 = 7 1 5 7 m m 2 l j 0 = m w = 2 9 4 0 9 2 7l ，5 7 = 4 1 0 9 n m m 2 矗警， 誊” 警一 砖x 上海交通大学工程硕士论文滩海铺管敷缆船布缆系统 所以o o l b = 6 0 n m m 2 ( 3 ) 轴承的寿命计算 a 处轴承 已知f 。= 1 5 ，p 1 = f 。fr l ：1 5 2 9 5 2 9 6 5 2 4 4 2 9 4 4 8 n 球轴承e = 3 ，转速n = 9 5 5 r m i n ，c = 7 5 、3 k n 则轴承寿命lh lo = ( 1 6 6 7 0 n ) ( c p ) 。 = ( 1 6 6 7 0 9 5 5 ) ( 7 5 3 0 0 4 4 2 9 4 4 8 ) 3 = 8 5 7 5 6 8 h 按每天工作1 4 小时，每年工作日为3 0 0 天计算，则可工作 8 5 7 5 6 8 ( 1 4 3 0 0 ) = 2 0 4 年 b 处轴承 已知f 口= 1 5 ，p 2 = f 。f 。2 = 1 5 1 3 8 4 2 = 2 0 7 6 3 n 球轴承= 3 ，转速n = 9 5 5 r = in c = 4 8 7 k n 则轴承寿命l h l o = ( 1 6 5 7 0 n ) ( c p ) = ( 1 6 6 7 0 9 5 5 ) ( 4 8 7 0 0 2 0 7 6 3 ) 3 = 2 2 6 4 2 7 2 h 可工作2 2 6 4 2 7 2 ( 1 4 3 0 0 ) = 5 3 9 年。 3 2 2 压紧液缸的选型 1 - 根据任务书要求可知液压缸能提供的压力应大于等于1 2 2 5 0 n ，行程应大 于l 5 0 m m ，取2 5 0 = = ，还考虑到与送缆及尺寸大小的配合，应选h s g 系列，内 径为6 3 m m 的液压缸，面积比为1 ：1 4 标准代号为h s g k 0 1 6 3 3 4 e 一2 6 1 18 2 性能校核 2 5 滋渊激 a ：nd 2 4 ：6 3 2 4 = 3 117 2 5 m 。3 1 i 7 1 0 3 m 2 p ：f7 a ：12 2 5 0 ( 3 1 17 1 0 3 ) = 3 9 3 1 0 6 p a 2 3 9 3m p a 1 6 m p 8 3 23 、液压马达的选型 已知压轮轴扭矩t i = 2 9 4 0 n m 送缆速度为3 1 5 米分，则转速n 1 2 v d “ ：1 9 l 一95 5 r m in ，在压轮轴与液压马达之i 4 联接一个减速比为i = 6 的减速齿轮 箱，则马达的转速n2 = in l = 1 1 4 6 5 7 3 r m i n p 2 = p l n = 2 9 4 0 9 6 2 3 0 6 k w 马达能提供的扭矩应大子t z = 9 5 5 0p 2 n 2 = 9 5 5 0 3 0 6 5 7 3 = 5 i o n e 。则选用8 个j m 系列a