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1、極地航道破冰裝置研發(fā)摘要 :我國(guó)是海上貿(mào)易大國(guó),與歐洲美洲的貿(mào)易尤為頻繁。在通往歐洲與美洲的航線上,與繞行巴拿馬運(yùn)河、運(yùn)河甚至是好望角的傳統(tǒng)航線相比,極地航線極大的縮短了航行距離。極地航道的開發(fā)和利用,對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和民生都有著十分重要的意義。但由于極地航道常年被冰雪覆蓋加強(qiáng)的普船在沒有破冰船領(lǐng)航的情況下,難以安全航行于極地航道。隨著全球氣溫變暖,北極冰區(qū)面積和冰層厚度逐年下降。對(duì)于普船,極地航道的通航已經(jīng)成為了可能?;诤降辣鶇^(qū)狀況的改變,傳統(tǒng)的破冰船在經(jīng)濟(jì)性和便捷性上已經(jīng)不能滿足普船通行極航道的需要了。該文設(shè)計(jì)的破冰裝置,為水陸兩棲破冰設(shè)備,能夠掛載于商船之上,在需要的時(shí)候下海破冰,滿足普
2、船直接通行于極地航道的要求,保證我國(guó)的大型商船能夠及時(shí)安全的通行極航線。: 極地航道;破冰裝置;兩棲;掛載Design of the ice-breaking equipment for Arctic sea routeAbstract : China is a big marine-trade country, espelly with Europeand America. Compared with the sea route via the Panama C, theSuez C, as well as the Cof Good Hope, to Europe and America,A
3、rctic sea route abbreviatesthe distance very much. To develop andexploit the Arctic sea routeis of great importance for the domesticeconomy and the peoples livelihood. However, as the Arctic sea route iscovered with ice the whole year, it is difficult for the non-enhancedmerchant ships to voyage the
4、re, without the help of the big ice-breakers.With the accretion of the temperature, the proportion and the depth ofthe ice in North Polar Area shrink perennially. It issible for normalmerchant ships to pass the Arctic sea route. As a result of the change inthe condition of the ice-covered area, norm
5、al icebreakers cant meet theneeds of the normal merchant ships when pass the Arctic sea route,considering the expense and the convenience. This pr devises anhibious device, which can be placed on the normal merchant shipsand breaks the ice after launched onto the sea when in need. It cansatisfy the
6、needs of the normal ships passing the Northern Sea Routeand Southwest Passage, which ares the safety and the instancy of thebig merchant ships in our country, passing the Arctic sea route.Key words: Arctic sea route; ice-breaker;hibian; portable.1. 研究背景1.1 研究意義1.1.1 極地航道及經(jīng)濟(jì)效益北極是亞、美、大洲的頂點(diǎn),由于地理原因,北極航線
7、便成為了聯(lián)系歐洲、洲和東亞地區(qū)的海上捷徑。北極航線主要包括俄北部沿岸的“東北航道”和洲北極地區(qū)的“西北航道”。東北航道又稱“北海航線”,西起俄港,東到俄東亞的符拉迪沃斯托克港,全長(zhǎng)約 5620 海里。西北航道東起巴芬島,西至海,全長(zhǎng)約 800 海里。1圖 1北極航線示意圖1相比于傳統(tǒng)航線,由于極地航線極大的縮短了航行距離,因而有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益。以東北航道為例,傳統(tǒng)的連接?xùn)|南亞與歐洲的海上線路為經(jīng)由運(yùn)河的航線,通過(guò)在地圖上的對(duì)比可以直觀的看到東北航線相較于航線縮短了較長(zhǎng)的距離(圖 2)。對(duì)比從歐洲到遠(yuǎn)東的各條航線,可以看出,在距離上,東北航道較之傳統(tǒng)航線有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)2(見表 1)。圖 2
8、東北航道與傳統(tǒng)航線的對(duì)比表 1歐洲至遠(yuǎn)東的海上航線距離對(duì)比注:1 nm=1.852 km航線東北航道西北航道巴拿馬運(yùn)河航線運(yùn)河航線好望角航線英國(guó)倫敦至橫濱的距離/nm72008600125801140014750相對(duì)距離100%119%175%158%205%1.1.2 通航條件及對(duì)我國(guó)的意義是阻礙北極航道通航的主要。但受到近年來(lái)全球氣溫變暖的影響,北極地區(qū)的氣溫不斷升高,的覆蓋區(qū)域逐年減少,冰層厚度也不斷降低,夏季無(wú)冰期更是不斷延長(zhǎng)。1880 年至 2006,北極的年平均氣溫從-1逐漸升高到了 23(圖 3)。由 1979 年 9月與 2003 年 9 月北極冰層覆蓋面積的對(duì)比,可以更清晰的
9、看出,北極通航已經(jīng)可以提上日程。圖 3北極年平均氣溫的變化1880-2006圖 41979 年 9 月與 2003 年 9 月北極冰層覆蓋面積對(duì)比北極地區(qū)不但擁有漁業(yè)、木材、風(fēng)力、水力等豐富的自然資源,而且還擁有著維系國(guó)家命脈的礦產(chǎn)、石油等資源。我國(guó)是海上貿(mào)易大國(guó),又是臨北極第二層位的國(guó)家。探索和開發(fā)北極航道,并能夠抓住機(jī)遇,讓我國(guó)的商船能夠及時(shí)安全的通行極航線,不僅能讓我國(guó)的航運(yùn)業(yè)在與歐洲、的商業(yè)貿(mào)易中減少航行距離,縮短貿(mào)易周期,節(jié)約成本,提高利潤(rùn),同時(shí)也能大大促進(jìn)國(guó)內(nèi)貿(mào)易產(chǎn)值的提高,有利于國(guó)家資源的,對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)、貿(mào)易乃至國(guó)內(nèi)民生都有著很大的意義。1.1.3 研究的應(yīng)用價(jià)值與意義的破冰船,
10、大多是采用重力式破冰的方法。這種方法雖然可以應(yīng)對(duì)絕大多數(shù)的冰況,然而由于采用重力式破冰的方法要求破冰船有足夠的排水量和強(qiáng)度,因而該類破冰船的體積十分龐大,多為百米長(zhǎng)、排水量上萬(wàn)噸級(jí)的大型破冰船。這種破冰船成本較高,施工難度也比較大。商船雇傭該類破冰船領(lǐng)航,費(fèi)用十分高昂。為了減少平均的費(fèi)用負(fù)擔(dān),遠(yuǎn)洋公司通常雇傭一艘破冰船領(lǐng)航,帶領(lǐng)一支商船隊(duì),完成一次海上貿(mào)易。然而這種方法極大的限制了商船的機(jī)動(dòng)性,也難以滿足商業(yè)上的對(duì)于靈活性的要求。由于氣候的影響,北極航線上的的厚度已經(jīng)有了明顯的降低。因此,本文中設(shè)計(jì)的破冰設(shè)備,脫離了傳統(tǒng)的破冰方法的限制,針對(duì)冰層厚度降低,冰區(qū)面積減少的情況,應(yīng)用機(jī)械式輔以化學(xué)
11、式破冰的方法,來(lái)完成破冰任務(wù)。該設(shè)備為兩棲式破冰船,在冰面上單獨(dú)實(shí)施作業(yè)。由于其體積較小,重量較輕,大型商船可以直接掛載或者放在甲板上。遇到冰情時(shí),可用船上的普通作業(yè)用的吊裝起重機(jī)械將設(shè)備放到海中,實(shí)施作業(yè),待開出航道便可通行。應(yīng)用這種破冰設(shè)備的商船,可以在除冰情十分嚴(yán)重的情況下的任何時(shí)間通行極航線。既不需要進(jìn)船塢加強(qiáng)改造,也不需要等待船隊(duì)雇傭大型破冰船。除卻政治上的,待北極航線開通后,所有商船便可直接通行極航道。因此,該設(shè)備不僅與商船、遠(yuǎn)洋公司的利益關(guān),同時(shí)也關(guān)乎國(guó)家的經(jīng)濟(jì)和層面的利益。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前,國(guó)內(nèi)外在極地地區(qū)應(yīng)用較為廣泛的破冰設(shè)備為大型的破冰船。1.2.1 破冰船的主要
12、特點(diǎn)的用于極地地區(qū)的破冰船,有著以下的特點(diǎn):相對(duì)于船身尺寸,具有更大的自重,可更加有效的壓垮;水線下船殼使用低溫高性能的鋼材,在船首、船尾和水線附近進(jìn)行額外加厚;具有更加平緩角度的船首,使破冰船更易冰;沒有減搖裝置和船體突出部;大功率的推進(jìn)器,多數(shù)使用柴油機(jī),也有蒸汽或核動(dòng)力推進(jìn)器,裝機(jī)功率應(yīng)至少達(dá)到一萬(wàn)馬力;船身的形狀有利于保護(hù)舵和螺旋槳,防止時(shí)舵和槳被撞壞;配備直升機(jī)用于冰區(qū)探路和導(dǎo)航4。能夠在南極或北極的區(qū)域航行;抗冰性足以承受;1.2.2 現(xiàn)有破冰船的破冰方法破冰船常用的連續(xù)破冰層次有三種:冰層較薄時(shí)只需要開足馬力前進(jìn),就能沖破同時(shí)自身不受損;圖 5傳統(tǒng)破冰過(guò)程冰層較厚但不超過(guò) 1.5
13、 米時(shí),采用“連續(xù)式”破冰法,主要靠螺旋槳的力量和船頭把冰層劈開撞碎;冰層超過(guò) 1.5 米或者遇上冰山時(shí),采取“沖撞式”破冰法。破冰船先一段距離,然后開足馬力沖上冰層,把船下的冰層壓碎,或是把船尾的水倉(cāng)灌滿水,使穿的重心后移而船首抬高,然后壓到厚冰層上,再將船尾水倉(cāng)抽空,同時(shí)把船首的水倉(cāng)灌滿,船首一般重達(dá)1000 噸左右,足以壓破冰層5。當(dāng)厚度超過(guò)船舶連續(xù)破冰能力時(shí),必須采用如下的特殊破冰方法。旋回破冰法。船身與浮冰區(qū)邊緣呈 30角,船速 7-8kn 破冰。破冰時(shí)根據(jù)當(dāng)時(shí)浮冰厚度和性質(zhì)需及時(shí)調(diào)整舵角。若使用舵角太小、用舵太導(dǎo)致船身進(jìn)入浮冰區(qū)太深,以致船身被浮冰卡住無(wú)法旋回;反之,則會(huì)減少前進(jìn)距
14、離,降低破冰效率6。徒步破冰法。利用8-10kn 速度沖撞冰面,利用船體運(yùn)動(dòng)能量破冰前進(jìn)。第一次沖撞后,使船身倒出一定距離,再進(jìn)行第二次沖撞。第二次破冰方向?yàn)榈谝淮纹票较虻呐詡?cè),控制破冰距離,第三次沖撞破冰時(shí),破冰方向?yàn)榈谝淮螞_撞破冰時(shí)的方向,一次左右交替破冰。需要根據(jù)浮冰厚度控制好船速,破冰距離不宜過(guò)長(zhǎng),防止船身被左右舷浮冰卡住。同時(shí),合理掌握好距離能提高破冰效率6。圖 6旋回破冰法圖 7徒步破冰法除以上傳統(tǒng)的破冰方法,還有一些新式的破冰船和破冰方法如下。半潛式破冰船??梢栽谒嫔虾叫?,也可以半潛式航行。它以特別加強(qiáng)的船殼結(jié)構(gòu)和:“梳子”式的破冰設(shè)備來(lái)破冰。在冰層相對(duì)厚的情況下,可先潛入一
15、個(gè)預(yù)定的深度,然后快速排出壓載水上浮,從。破冰能力提高許多,可破碎厚達(dá)五米的冰層7。而將冰層圖 8半潛水式破冰船脈沖碎冰法。由脈沖力發(fā)產(chǎn)生的沖擊確保在冰區(qū)的安全快速航行,驅(qū)動(dòng)力通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估具體不同的冰層厚度需要多少的能量。同時(shí),不同外形的電機(jī)均被加以實(shí)驗(yàn)過(guò)。上述幾種破冰方法為世界上普遍采用的應(yīng)用于破冰船的破冰方式。然而由于其對(duì)破冰船的排水量以及特種技術(shù)等方面的要求,使其經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性都難以符合現(xiàn)今情況下即將航行于極地航道的商船的需要。1.2.3 破冰船的由于普通破冰船的百分之十三的排水量用以裝載幾千噸,一晝夜的消耗量巨大,所以不可能離開海港太久,很難適應(yīng)普船在極地的破冰要求。帶原子發(fā)的破冰船一
16、晝夜耗油量?jī)H若干公分,航行范圍極大8。同時(shí),核動(dòng)力推進(jìn)裝置熱效率高,能長(zhǎng)久運(yùn)行確保續(xù)航力要求,對(duì)后勤保障要求不高,非常適合作為破冰船的動(dòng)力裝置9。現(xiàn)今的大型破冰船一般選用核能推進(jìn)的方式。然而,對(duì)于普用船舶而言,租賃核能推進(jìn)破冰船的花費(fèi)過(guò)高,經(jīng)濟(jì)性較差,即便能夠滿足通航要求,也由于其不符合商業(yè)的基本要求,而難以廣泛的運(yùn)用到商業(yè)模式之中。由此也可以看出,在極地航道冰況較好,冰區(qū)面積日益減少,冰層厚度逐漸降低的今天,需要一種既能夠滿足破冰要求,應(yīng)對(duì)當(dāng)前極地航道上的冰況,同時(shí)又合乎經(jīng)濟(jì)性的要求,應(yīng)用較為方便的小型破冰裝置。2.設(shè)計(jì)原理2.1 工況分析及設(shè)計(jì)原理物理性質(zhì)及工況2.1.1的重要物理性質(zhì)包括
17、冰的溫度,鹽度,密度以及冰的抗壓強(qiáng)度,彎曲強(qiáng)度,剪切強(qiáng)度,拉伸強(qiáng)度,它們?cè)诃h(huán)境條件的影響下,隨時(shí)間空間變化很大,導(dǎo)致受力以后的變形行為極為復(fù)雜。本破冰裝置采用機(jī)械向上提拉冰層而使冰層發(fā)生彎曲破壞,所以著重考慮的彎曲強(qiáng)度。的彎曲強(qiáng)度隨著應(yīng)力率、鹽水體積和加載方向的變化而變化。由于實(shí)際環(huán)境中,冰是各向異性介質(zhì),因此很難準(zhǔn)確的確定的彎曲強(qiáng)度。這里根據(jù)以往文獻(xiàn)中對(duì)于彎曲強(qiáng)度的研究,采用-10的彎曲強(qiáng)度平均值作為分析的工況,取值情況見表 2。由于冰層在向上加載時(shí)的彎曲強(qiáng)度小于向下加載時(shí)的彎曲強(qiáng)度10。因此,該破冰裝置采用機(jī)械向上提拉冰層的方法也比較合理。的主要物理參數(shù)見表 2。表 2冰層主要參數(shù)1011
18、度也是一個(gè)十分重要的參數(shù),但是由于極地航道海區(qū)面積極廣,航道附近冰況十分復(fù)雜,冰層厚度隨季節(jié)和溫度變化較大,因而暫時(shí)還無(wú)法得到詳細(xì)的度數(shù)據(jù)的科學(xué)研究也集中在的覆蓋面積上,通過(guò)研究覆蓋面積的變化,數(shù)的研究涉及到了度,但也僅限于部分海域,沒有對(duì)于極地航道冰厚度的研究資料?,F(xiàn)今測(cè)定度通常采用多點(diǎn)采樣取平均值的方法。由于這種方法的限制,使得極地航道冰厚度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)更加難以得到。綜合現(xiàn)有數(shù)據(jù),參國(guó)雪龍?zhí)枠O地船的數(shù)據(jù)采樣,再通過(guò)對(duì)北極實(shí)拍冰況的分析,將該設(shè)備需要應(yīng)對(duì)的極地航道冰厚度定為 1m 是比較合理的。因此本破冰裝置以 1m 冰厚為基準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。圖 9 為作為參考分析用的雪龍?zhí)枌?shí)拍的北極的示例。
19、材料密度(kg/m3)900剪切模量(GPa)2.200屈服應(yīng)力(Mpa)2.120彈性模量(N/m2)109塑形失效應(yīng)變0.35泊松比0.33彎曲強(qiáng)度極限(MPa)1.130圖 9雪龍?zhí)枠O地船拍攝的(攝于 2012 年 8 月)2.1.2 設(shè)備設(shè)計(jì)思路及原理該破冰裝置以船舶為載體,動(dòng)力裝置為螺旋槳和,保證其能在海水中航行,同時(shí)在登上冰面之后,可以安全穩(wěn)定的進(jìn)行破冰作業(yè)。破冰方式為機(jī)械式破冰和化學(xué)制劑破冰相結(jié)合的新方法,在設(shè)備登上冰面并向前行進(jìn)的過(guò)程中,破冰裝置中部的融冰設(shè)備在冰面上切出凹槽,同時(shí)向其中注入融冰制劑,造成一定的融寬和融深。裝置尾部的機(jī)械會(huì)從冰層端部,深入到冰層之下,并扣住冰層,
20、向上提拉。由于融道的作用,會(huì)在其周圍造成應(yīng)力集中,因而機(jī)械提供的力量可以將起始作業(yè)端部至融道間的冰層折斷。隨著設(shè)備的不斷前行,中部的融冰設(shè)備同尾部的機(jī)械連續(xù)協(xié)同作業(yè),可以很快開出一條冰間航道。受設(shè)備作業(yè)面寬度的限制,若需要領(lǐng)航的船舶型寬較大,且需要作業(yè)的冰蓋寬度較大,可以使設(shè)備采取 S 型作業(yè)的方式,從冰層邊緣處開始,進(jìn)行 S 形行進(jìn),以較快速度開出適合被領(lǐng)航船舶通行的航道。設(shè)備的總布置圖如圖 10 所示,三維圖如圖 11 所示。主船體模塊裝載,其間設(shè)置融冰設(shè)備,尾部安裝機(jī)械。圖 11破冰設(shè)備三維效果圖2.2 設(shè)備系統(tǒng)該破冰裝置主要由三個(gè)模塊組成,分別為主船體模塊,機(jī)械設(shè)備模塊,融冰設(shè)備模塊。
21、2.2.1 主船體模塊極地航道破冰裝置的主船體部分包括船體、主機(jī),主要起承載破冰機(jī)械設(shè)備在水中及冰面上行進(jìn)的載體作用。既要求船體能夠滿足破冰作業(yè)時(shí)的穩(wěn)性和強(qiáng)度需求,同時(shí)也需要限制破冰裝置的總重量,保證其能夠安置在商船之上,并能夠被船上的吊裝設(shè)備安全的吊放到海里。船舶的主尺度以及一些性能參數(shù)如表 3 所示。表 3破冰裝置船體主尺度及性能參數(shù)總長(zhǎng) Loa(m)16.5垂線間長(zhǎng) Lpp(m)15型寬 B(m)4型深 D(m)1.6吃水 T(m)0.8排水量 W(t)31.1399航速 v(kn)5冰上速度 v(m/s)3.2破冰裝置的總重量的組成如下表 4 所示。其中,主機(jī)的附屬設(shè)備包括軸、軸承、齒
22、輪箱、的重量。其它重量包含管系、舾裝、電器設(shè)備等部分機(jī)械設(shè)備的重量。表 4破冰裝置的總重量組成船體呈流線型,首尾部分型線變化較大,中部為平行中體,型線變化緩和,便于裝配以及化學(xué)融冰的輔助設(shè)備。船體型線圖如圖12-14 所示。類別重量(t)船體外板5.7首樓2機(jī)械10主機(jī)及其附屬設(shè)備3.46其它4合計(jì)31.1圖 15裝配示意圖122.2.2 機(jī)械設(shè)備模塊極地航道破冰裝置機(jī)械,利用了挖掘機(jī)的工作原理,重視可性與高度靈活性。機(jī)械是一種多度的工程機(jī)械。這些主要機(jī)構(gòu)經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)、換向,外載變化很大,工作條件惡劣,沖擊與振動(dòng)多,因此對(duì)其有較高的設(shè)計(jì)要求。機(jī)械主要分為動(dòng)臂、斗桿、鏟板、搖桿。在斗桿與鏟板上
23、分別配備斗桿缸與鏟板缸,同時(shí)輔以動(dòng)臂缸。極地航道破冰裝置利用機(jī)械,通過(guò)在的邊緣處提供向上的拉力,使冰受到彎曲作用,產(chǎn)生彎曲破壞,完成破冰作業(yè)。本裝置可在破冰設(shè)備向前行進(jìn)的過(guò)程中連續(xù)作業(yè),類似于挖掘機(jī)的挖掘。機(jī)械的高度靈活性正是體現(xiàn)了極地航道破冰裝置的靈活性,也為 S 形破冰方案提供了可能。機(jī)械一個(gè)作業(yè)循環(huán)的組成和動(dòng)作復(fù)合主要包括提拉與卸載13。提拉過(guò)程采用鏟板缸與斗桿缸及動(dòng)臂缸共同進(jìn)行提拉,將冰扣住并提起,使冰彎曲破壞,因此,在此過(guò)程中主要是鏟板、斗桿、動(dòng)臂的復(fù)合動(dòng)作。卸載過(guò)程需要收起鏟板并脫離已經(jīng)破壞的冰進(jìn)行卸載,以完成接下來(lái)的動(dòng)作。通過(guò)斗桿缸調(diào)節(jié)卸載半徑,然后鏟板缸回縮,鏟板卸載。同時(shí),為
24、了調(diào)整卸載位置,還需要?jiǎng)颖鄹椎呐浜?,此時(shí)是斗桿和鏟板的復(fù)合動(dòng)作,間以動(dòng)臂動(dòng)作。機(jī)械作業(yè)范圍示意圖可以參考類似的挖掘機(jī)的機(jī)械工作示意圖,如圖 16 所示。圖 13機(jī)械作業(yè)范圍示意圖對(duì)于此破冰裝置,最為重要的機(jī)械參數(shù)為機(jī)械的提拉力。提拉力指在機(jī)械提拉時(shí),提拉力的大小與挖掘工況、工作裝置姿態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)和傳動(dòng)效率有關(guān)。提拉力可分為缸提拉力和整機(jī)理論提拉力,而提拉力的提供,則是由缸提供結(jié)合材料及破冰裝置不同的動(dòng)作形態(tài),參考現(xiàn)有的挖掘類設(shè)備的機(jī)械的性能參數(shù),通過(guò)提拉力的分析計(jì)算,得出該破冰設(shè)備的機(jī)械相應(yīng)技術(shù)參數(shù)如表 7 所示。表 7破冰設(shè)備的機(jī)械技術(shù)參數(shù)由于機(jī)械在作業(yè)過(guò)程中,是由鏟板和斗桿協(xié)同工作的,因此
25、設(shè)備的總的提拉力為鏟板提拉力與斗桿提拉力的和,即 30.7t 的提拉力。而根據(jù)有限元的模擬,在 1m 冰厚的情況下,結(jié)合的邊界條件,計(jì)算出在冰層邊緣施加 60t 集中力造成冰層的破壞面積是比較可觀的(有限元分析的結(jié)果見本文 3)。考慮到設(shè)置兩個(gè)機(jī)械能夠使該設(shè)備處理應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜情況時(shí)有的作業(yè)方案,如在面對(duì)厚度較小的冰層時(shí)可以只動(dòng)用一個(gè)機(jī)械進(jìn)行破冰作業(yè),在面對(duì)上述 1m 左右的厚度較大的冰層時(shí)可動(dòng)用兩個(gè)機(jī)械共同作業(yè)。因此,在破冰設(shè)備上安裝兩個(gè)機(jī)械,使其相互耦合,共同完成破冰作業(yè),是比較合適的。機(jī)械的結(jié)構(gòu)圖和三維效果圖分別如圖 14 和圖 15 所示。類別數(shù)值額定功率kw70鏟板提拉力t17.5斗桿
26、提拉力t13.2最大提拉高度mm10000最大卸載高度mm7035最大提拉深度mm6920最大垂直提拉深度mm6010動(dòng)臂與斗桿總長(zhǎng)mm15380動(dòng)臂與斗桿材料Q550 鋼動(dòng)臂與斗桿總重t4.2鏟板總重t0.8鏟板材料結(jié) 16Mn 鋼圖 15 機(jī)械三維效果圖2.2.3 融冰設(shè)備模塊融冰設(shè)備布置在破冰裝置中部,主體為滴注設(shè)備,在滴注設(shè)備前裝有鋼結(jié)構(gòu)的底部鋒利的擋板,垂向上延伸到與冰面的接觸面以下。該擋板的作用是保護(hù)滴注設(shè)備,同時(shí)在破冰裝置行進(jìn)的同時(shí),在冰面上留下豁口,使安裝在其后的滴注設(shè)備滴注的融冰制劑完全灌注于豁口之內(nèi),有效的將融冰制劑的作用集中,降低融寬,增加融深。融冰制劑需要滿足作業(yè)溫度低
27、,融冰速率高,對(duì)金屬腐蝕性差,對(duì)環(huán)境無(wú)污染,成本低的要求。參考文獻(xiàn)15,選擇 CMA(醋酸鈣鎂)型PSA 全有機(jī)融冰劑。PSA 以傳統(tǒng)氯鹽為突破口,以冰點(diǎn)降低理論、金屬防腐理論、植物機(jī)理為依據(jù),研究了不同氯鹽的加合增效、冰點(diǎn)降低規(guī)律,同時(shí)兼顧了其融冰化雪時(shí)的熱效應(yīng)。PSA 共有三種適合于不同溫度的融雪劑主物料配方,見表 8??梢愿鶕?jù)航道上不同的環(huán)境條件選取不同的配比方案,滿足作業(yè)溫度對(duì)于融冰制劑的要求。表 8適用于不同溫度的 PSA 主物料配方進(jìn)行了融雪劑融冰速率測(cè)定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在-10下,PSA 系列的融冰速率很高,是氯化鈉的 2 倍左右,是 CMA 的 3 倍左右;在-20下,PSA 系列融
28、冰速率有稍微降低,氯化鈉此時(shí)幾乎“失效”;在-30下,PSA 還具有較好的融冰能力;初始階段 PSA 系列的融冰速率較大,是氯化鈉 45 倍,是 CMA 的 10 倍;從融冰速率和低溫下融冰效果上看,PSA 系列均優(yōu)于氯化鈉和 CMA,CMA 在-10融冰速率非常小了,在低于-15兩者均失去了融冰能力。在金屬擋板作用的豁口的集中作用和的碾壓作用下,預(yù)計(jì)在幾分鐘的時(shí)間里便可達(dá)到 1015cm的融深,滿足破冰設(shè)備對(duì)于融冰速率的需要。為降低 PSA 對(duì)于等金屬設(shè)備的腐蝕,需要在 PSA 中添加一種高效緩蝕劑。以 w(PSA1)=3溶液為腐蝕液,通過(guò)三次正交實(shí)驗(yàn)篩選出了 PSA 系列融雪劑的高效緩蝕劑
29、(記為 H),其組成成分分別為T、磷酸二氫鋅、硫脲,組成緩蝕劑 H 各物質(zhì)質(zhì)量關(guān)系為 m(T)m(磷酸二氫鋅)m(硫脲)=612,在 PSA 系列溶液中,以 H計(jì),質(zhì)量濃度為 450mgL,即 c(H)=450mgL 時(shí)有較好的緩蝕效配方w(CaCl22H2O)w(MgCl26H2O)w(L)適用溫度區(qū)間()配方一(PSA1)70%20%10%-35,-30配方二(PSA2)50%40%10%-25,-20配方三(PSA3)30%60%10%-15,-10果。該復(fù)合緩蝕劑用量少,原料廉價(jià),對(duì)碳鋼的緩蝕率高,而且磷的含量也符合我國(guó)農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) GB 5084-92。進(jìn)行了碳鋼和混凝土腐蝕實(shí)驗(yàn)
30、。結(jié)果發(fā)現(xiàn)氯化鈣對(duì)碳鋼的腐蝕最為嚴(yán)重是氯化鈉的 1.5 倍;氯化鈉對(duì)碳鋼坑蝕最為嚴(yán)重;添加緩蝕劑的 PSA 系列對(duì)碳鋼腐蝕極小,均不到氯化鈉的 50,比純水的腐蝕性還低。進(jìn)行了融雪劑冰點(diǎn)下降測(cè)試、值測(cè)試和植物耐鹽實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn) PSA 系列冰點(diǎn)均在-30以下,值均在 69 之間,耐鹽量均在 150gm2 以上,符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。綜上,PSA 系列融雪劑既保留了傳統(tǒng)融雪劑的優(yōu)點(diǎn),原料廉價(jià)易得,冰點(diǎn)低;兼有 CMA 的優(yōu)點(diǎn),對(duì)鋼鐵幾乎無(wú)腐蝕,環(huán)境友好,可有效輔助機(jī)械破冰。3. 工作原理及性能分析說(shuō)明極地破冰設(shè)備的工作原理時(shí),以破冰裝置的設(shè)計(jì)極限度 1m 為例。掛載破冰裝置的商船在極地航線上遇見冰情之后
31、,可利用其上的吊裝設(shè)備將破冰裝置放入海里,之后破冰裝置開動(dòng)主機(jī),在螺旋槳的推進(jìn)下駛向需要作業(yè)的。該情況的三維模擬圖如圖 16 所示。圖 16破冰裝置下海航行三維模擬圖當(dāng)破冰裝置駛近后,向位于船體尾部的壓載水艙注入壓載水。密度為 900kg/3,此處以為浮冰的情況作為研究對(duì)象,取海水密度為 1025 kg/3,由定律計(jì)算得水上厚度為0.12m,水下厚度為 0.88m。由的布置位置及破冰裝置吃水狀況得出該裝置上冰的縱傾角度至少為4。破冰裝置漂心 =-0.972m,壓載水艙中心距離破冰裝置漂心為 5m,由尾傾角計(jì)算公式:( )tan =(其中為注入的壓載水的重量,x 為壓載水的重心位置,為漂心位置,
32、為縱穩(wěn)性高,其計(jì)算過(guò)程參見 4.1)可求出在尾傾角為4的情況下需要壓載水重為 10.5t。當(dāng)向尾部壓載中注入 10.5t 的壓載水時(shí),破冰裝置可駛上冰面。該情況的三維模擬圖如圖 17 所示。圖 17破冰裝置上冰三維模擬圖當(dāng)破冰裝置駛上冰面時(shí),融冰設(shè)備便可開始工作,在中部擋板留下的豁口中注入融冰制劑。同時(shí),當(dāng)船體完全駛上冰面,停留在冰層端部時(shí),機(jī)械便可海水中,向上提拉冰面的端部,開始作業(yè)。隨著冰面被提起,破冰設(shè)備在驅(qū)動(dòng)下緩緩前進(jìn),融冰設(shè)備同機(jī)械協(xié)同工作,直至一條可供所屬船只通行的航道。該情況的三維模擬圖如圖 18 所示。圖 18破冰設(shè)備破冰三維模擬圖破冰效果可由有限元方法分析。在研究載荷方面,應(yīng)
33、用最廣泛的有限元方法是將冰作為浮在海水上的半無(wú)限大的平板,將海水的浮力作為彈性地基。此處做保守的校核,認(rèn)為破冰設(shè)備需要在 1m 厚的無(wú)限大冰蓋前為后面的船只開辟一條安全的航道。以體單元為基本元素創(chuàng)建冰層模型。設(shè)定該模型密度,泊松比,彈性模量如表 2 所示,長(zhǎng)寬高分別為 20m*20m*1m,將其看作無(wú)限大冰面上的一部分,因?yàn)橹車谋鶎?duì)其有約束作用,因而將約束條件定為四端剛固。在其上正中位置相隔 4m 利用布爾運(yùn)算創(chuàng)建出 2 個(gè)凹槽, 尺寸為15m*0.1m*0.1m,將其看作船體中部融冰設(shè)備融開的凹槽。在模型上加載載荷。端部自下向上加載由機(jī)械產(chǎn)生的提拉力,在距離端部5m 處,即機(jī)械加載力的位置
34、同最末端接地位置的距離處,加載由設(shè)備總重量和提拉的反作用力共同的自上向下加載的均的接地面積。加載之后,對(duì)其求解,依據(jù) von-不力,作用面積同mises 應(yīng)力,即第四強(qiáng)度理論的等效應(yīng)力測(cè)定冰層斷裂程度。單機(jī)械作業(yè),即端部加載的提拉力為 30t 時(shí)的有限元計(jì)算結(jié)果如圖 19 所示。圖 19單機(jī)械作業(yè)有限元模型雙機(jī)械協(xié)同作業(yè),即端部加載的提拉力為 60t 時(shí)的有限元計(jì)算結(jié)果如圖 20 所示。圖 20 雙機(jī)械作業(yè)有限元模型注:圖 19 和圖 20 中數(shù)據(jù)的均為 MPa由表 2 知冰層的彎曲強(qiáng)度為 1.13MPa。比較兩圖的結(jié)果,可以看出,圖 19 中的冰面斷裂部分面積為 1m*3m,圖 20 中的冰
35、面斷裂部分面積為 3m*16m。所以兩個(gè)機(jī)械協(xié)同作用下的破冰面積是十分可觀的,破冰設(shè)備的作業(yè)速度也會(huì)因此加快,可以更快的打開一條冰間航道,讓后面的船舶等待較短的時(shí)間即可通行。由此也可以得到2.2.2 中設(shè)計(jì)兩個(gè)機(jī)械的原因。由于實(shí)際情況中,冰是各向異性介質(zhì),并非均勻材質(zhì),同時(shí)因?yàn)楦×ο蛏献饔?,?huì)與提拉力共同作用產(chǎn)生更好的效果,因此上述有限元模型的計(jì)算是偏于保守的,實(shí)際效果應(yīng)當(dāng)比模擬的效果更好。4安全性校核4.1 破冰裝置浮態(tài)及穩(wěn)性分析破冰裝置上的設(shè)備以及船體均為對(duì)稱布置,因而靜浮狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生橫傾。在此主要校核縱傾的狀況。船體吃水為 0.8m,此時(shí)求得的浮心縱向坐標(biāo)為-0.572(縱向相對(duì)于船中
36、,下同),浮心垂向坐標(biāo)為0.478(垂向相對(duì)于龍骨,下同)。由下式到縱穩(wěn)性高:= 其中,為縱穩(wěn)性高,為縱穩(wěn)心半徑,為水線面面積對(duì)于橫向中心軸線(在船中位置)的縱向慣性矩,為排水體積。且求得 =737.57 4, = 30.15m3 。 帶 入 公 式 中 得 到 =24.46m。假設(shè)船的重心原本位于漂心垂直線上,后移動(dòng)到現(xiàn)有位置:即縱向坐標(biāo)變?yōu)?1.413m。故由下式得到破冰裝置縱傾角的正切值:(21)Tan =其中,2為裝置重心縱向坐標(biāo),1為裝置浮心縱向坐標(biāo),得 Tan =0.034。即破冰裝置在靜水中正浮狀態(tài)下傾角 = 1.9,為尾傾。此狀態(tài)下整個(gè)破冰裝置尾部吃水高于首部吃水,船首,便于船舶上冰作業(yè)。同理,由以下公式到橫穩(wěn)性高: =GM = BM + KG K
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