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工程管理前沿【2019年第24期】

  • ID:271572
  • 浏览:8932
  • 学科:工程地质学
  • 更新时间:2020-04-10 10:50:58
  • 期刊: 工程管理前沿
内容简介
《工程管理前沿》杂志是由中国工程院主管,中国工程院、清华大学、高等教育出版社主办的建筑期刊。国际标准刊号:2095-7513,国内统一刊号:CN10-1205/N。《工程管理前沿》的办刊宗旨:依托建设领域高层权威信息背景,旨在做好政府领导决策的重要参谋;成为政策理论探讨的前沿阵地,积极探索和引导建设事业发展方向和改革实践;提供重大事件权威报道,深度阐释焦点话题,纵深调查热点事件,努力追求权威性、建设性、实用性和可读性风格;努力做大媒介传播平台,真诚为建设企事业单位服务,为中国建设事业和城市化发展服务,为广大读者开启一个探求知识的窗口。

舰载补偿平台设计及分析

2019/8/9 15:17:00 工程地质学 陈怀琪
资料简介

摘要 :在海洋平台建设期间,需要大量拖轮、海上生活补给船、大型吊装船等海上浮式结构进行施工。在海上行驶作业中,由于海上风浪洋流影响,造成舰载吊机,飞机降落平台的震荡,给人员运输、物资吊装、飞机起落等带来了非常大的安全隐患,造成工期延后,影响工作人员安全。针对海上作业环境,基于并联机构理论,设计了一种适用于海上吊装辅助,飞机降落的震荡补偿平台模型,通过机构反解,分析运动速度,运动补偿空间,进行机构优化。

舰载补偿平台设计及分析

陈怀琪

中海福陆重工有限公司 广东珠海 51905 0

摘要:在海洋平台建设期间,需要大量拖轮、海上生活补给船、大型吊装船等海上浮式结构进行施工。在海上行驶作业中,由于海上风浪洋流影响,造成舰载吊机,飞机降落平台的震荡,给人员运输、物资吊装、飞机起落等带来了非常大的安全隐患,造成工期延后,影响工作人员安全。针对海上作业环境,基于并联机构理论,设计了一种适用于海上吊装辅助,飞机降落的震荡补偿平台模型,通过机构反解,分析运动速度,运动补偿空间,进行机构优化。

关键词:并联机构;补偿平台;逆解;运动补偿空间

0 引言

随着国内海上能源开采技术的发展,海洋工程装备越发多样,施工安全性也越来越得到重视。船舶在海上往平台上吊装物资时,船受海浪影响震动大,舰载吊机晃动大作业困难,转移人员时更是性命攸关的作业。平台自身吊机往船上吊大型设备,长物体,船舶震荡时,被吊物很难平稳落下。降低舰载吊机、卸货平台、飞机降落甲板的晃动,是提升海上施工安全的关键问题。

补偿平台方案及自由度

方案拟用3-UPU液压驱动的补偿平台进行设计分析。液压驱动具有负载大,动作响应快,适用运动补偿平台,三维模型如图2-1。

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图 2-1 平台方案3-UPU

该方案由上下两个平台组成,平台之间是行程为500mm的液压缸,液压缸与平台用万向铰连接,主要功能参数:承重1.5T,横摇、纵摇补偿角度±25°,垂荡补偿高度±200mm。万向铰间隔120°分布,半径为600mm。

自由度计算,反螺旋理论:

Kutzbach-Grübler[1]的修正公式:

5e1d693917168_html_dac0513ea86c86c1.gif (2-1)

上式中5e1d693917168_html_e38638794de6951c.gifF——机构自由度;n——构件数;g——运动副数;5e1d693917168_html_2ac1567cf501932c.gif ——运动副的自由度;d——机构公共约束因子;5e1d693917168_html_e5d69c2c971f1ce4.gif ——机构公共约束数;5e1d693917168_html_1fd3833de098b276.gif ——Kutzbach-Grubler 公式修正项[7]

5e1d693917168_html_619e5d4d2059b373.gif 根据螺旋理论可知,该机构包含虚约束,导入公式(2-1)可得

5e1d693917168_html_ee6896e1ff71e891.gif 该方案自由度为3。

逆解

并联机构的正解与逆解[2]是运动分析的前提,并联机构工作空间是评价机构优劣的一个重要依据[3]

补偿平台上平台是稳定的工作平台,为了更直观、简单的建立求解方程,我们将下平台设为静平台,则上平台为动平台。坐标系的建立:

5e1d693917168_html_28d53a7242c8fcfc.png

图 3‑1 逆解坐标系

记静平台O-XYZ、动平台o-xyz、相对旋转角为αβ位移为Zp。旋转矩阵T[4] ,则,动坐标可由静坐标表示为:

5e1d693917168_html_6003680abb5d635.gif

5e1d693917168_html_1e8a23f54357de5.gif

5e1d693917168_html_a601ecb077e37387.gif

即可求出向量5e1d693917168_html_c9e2dcc677db9482.gif5e1d693917168_html_b96982b128aa6436.gif5e1d693917168_html_d49716125065e60f.gif 的坐标及杆长:

5e1d693917168_html_d85c4a0087d5026.gif

到此,机构的逆解结束,给出平台某一时刻的高度Zp,两个倾斜角αβ即可求解出3个液压缸的长度。

4补偿空间分析

球坐标搜索法常应用于复杂机构的运动空间求解,利用球坐标搜索法[5]并进行一定修改,通过MATLAB求解出机构的补偿空间。

4.1限制条件设置

通过第3节逆解过程坐标系的建立及分析结构可知,影响补偿空间的因素有:

杆长的有效行程:5e1d693917168_html_59998d67c37971fe.gif5e1d693917168_html_25df1787a71a3a65.gif5e1d693917168_html_a89b654cb1b1291.gif

选用铰链的有效角度:5e1d693917168_html_a7a3f0f74dde2c77.gif

铰链分布半径:R

在分析模型中,我们将Zp=1150mm作为初始工作平面。R=600mm,L变化为±250mm,选用万向铰为旋转副,为避免支链互相干涉,定义5e1d693917168_html_a7a3f0f74dde2c77.gif ≤35°。在MATLAB中绘制空间如下:

5e1d693917168_html_320a4be865035881.jpg

图4-1补偿空间

图4-1 可以看出,补偿空间程上下对称,当船舶上下震荡±100mm,倾斜±25°时,平台能补偿的倾斜角范围大,但是垂荡补偿有限。若选取倾斜角±10°,垂荡±200mm补偿平台能起到有效的补偿作用。由于方案中铰链分布半径(600mm)、液压缸活动杆长(±250mm)取值小,固船舶震荡的补偿高度有限。

方案铰链分布半径为600mm,铰链的分布对补偿空间的影响非常大。缩小铰链分布的半径,可以有效地扩大补偿空间。

除此之外,选择行程范围大的液压缸,也是有效扩大补偿空间的方法。合理的补偿高度和补偿角度,是铰链分布半径和液压缸行程综合作用的结果,所以想要得到经济有效率的机构,必须经过不断的机构分析及机构优化。机构优化的同时,应重点考虑铰链的性能,转角限制。

结论及意义

对于并联机构的研究及应用已趋于成熟,多自由度的机构复杂,精度高,意味着支链、驱动、控制等也更加复杂,研究及投产的费用也更多。实际上,有些工况并不需要这么多的自由度,通过补偿空间的分析,只要工况在补偿空间中,可以尽量减少自由度的数量,达到更经济的方案。通过对补偿平台进行逆解及补偿空间分析,获得了有效的3自由度并联机构的补偿平台。是实际应用驱动选型、平台尺寸设计的基础。补偿平台能够为舰载吊机、舰载卸货平台提供稳定的工作平面,有效提高海上施工的安全性,减少天气对海上施工进度的影响,缩短海上施工工期,提高海上施工作业能力。运动补偿平台的发展可以提高海上作业的能力,是国防、海上资源获取的关键因素。

参考文献

[1]黄真,刘婧芳,曾达幸.基于约束螺旋理论的机构自由度分析的普遍方法[J].中国科学杂志社,2008,第39卷.

[2]黄真,孔令富,方跃法. 并联机器人机构学理论及控制[M],北京:机械工业出版,1996:36~42.

[3]肖藩.基于三自由度并联支撑机构的自动调平系统的研究[D].江西:江西理工大学,2009.

[4]陈航.三自由度并联机构正解及试验平台控制方法研究[D].华中科技大学,2005.

[5]高峰,黄美玉,史文浩,彭中波. 3-RPS并联机构工作空间分析的球坐标搜索法[N].西安理工大学学报,2001

作者简介:陈怀琪(1991),男,本科,机械工程师 1