一種新型高負(fù)載能力艉滾筒裝置的設(shè)計(jì)

陳朝俊

摘要：本文介紹了一種承載能力450t的艉滾筒裝置。筒體面板選用AH32高強(qiáng)度鋼，內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用徑向加強(qiáng)筋，在其徑向30o、60o、210o、240o方位裝有四根縱向加強(qiáng)筋板，以增加空心軸體的縱向強(qiáng)度。運(yùn)用MSC.Patran/Nastran結(jié)構(gòu)有限元方法分析艉滾筒與軸體的受力強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并在裝置設(shè)計(jì)上著重考慮了艉滾筒的安裝的方便性，轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活性，使用的可靠性。

關(guān)鍵詞：艉滾筒；有限元；高分子軸承；環(huán)氧樹脂

1 引言

隨著海洋資源的不斷開發(fā)，用于海洋工程服務(wù)具備拖帶功能的船也越來越受市場(chǎng)青睞，如拖帶船舶、石油平臺(tái)的起拋錨以及船舶的打撈和電纜的鋪設(shè)等。艉滾筒的主要作用是：當(dāng)多用途拖船幫助其它大型船舶和海上石油平臺(tái)起拋錨及拖帶作業(yè)時(shí)，纜索或錨鏈在拖船尾部甲板移動(dòng)，纜索或錨鏈通過尾滾筒可隨其轉(zhuǎn)動(dòng)，減少滑動(dòng)的摩擦阻力，并避免滑動(dòng)摩擦引起的尾甲板嚴(yán)重磨損。

隨著海洋工程的不斷發(fā)展，多用途拖船的功率和拖帶能力大大增加。我司承建的76米多用途工程船，主機(jī)12000HP，系柱拖力150t。需配備直徑3m、長(zhǎng)度6.6m、承載能力450t的艉滾筒。對(duì)于如此大尺寸、高負(fù)載能力的艉滾筒，需對(duì)其結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究，以滿足強(qiáng)度、安裝方便和使用的可靠性要求。

2 結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于傳統(tǒng)艉滾筒結(jié)構(gòu)形式，通過增加型材的尺寸，只能在較小范圍內(nèi)提高艉滾筒的受載負(fù)荷，適應(yīng)較小跨度和直徑的艉滾筒。為進(jìn)一步增大艉滾筒的結(jié)構(gòu)尺寸及其承載能力，可增加梁結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度，采用固定軸體，增加滾筒支撐點(diǎn)，即增加軸承個(gè)數(shù)的方式來實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)于軸體固定，滾筒回轉(zhuǎn)的方式，將適用于大型艉滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。即采用軸體固定、滾筒回轉(zhuǎn)的分段式結(jié)構(gòu)形式，加設(shè)一根空心軸，設(shè)置與筒體內(nèi)部支承軸數(shù)目相同的軸肩用來支撐筒體，其兩端采用法蘭連接方式連接到船體結(jié)構(gòu)上。這就是常用的單軸-單筒型式的艉滾筒[1]。

為了減少由于尺寸增大而迅速增加的重量，本尾滾筒的筒體面板選用AH32高強(qiáng)度鋼，筒體內(nèi)部采用徑向加強(qiáng)筋，在其徑向30o、60o、210o、240o方位裝有四根縱向加強(qiáng)筋板，以增加空心軸體的縱向強(qiáng)度性能。目前，對(duì)于高載荷的艉滾筒，常采用單滾筒-單軸型艉滾筒，即采用法蘭與船體結(jié)構(gòu)連接，艉滾筒在其軸的兩端分別受到一組螺栓的約束，這也給船體結(jié)構(gòu)制作和安裝的精度提出了非常高的要求。而承受低載荷的徑向-縱向加強(qiáng)型艉滾筒，常采用軸與船體上的軸承連接[2]，該方，式安裝相對(duì)容易。因此本設(shè)計(jì)綜合了徑向-縱向加強(qiáng)型和單滾筒-單軸型的特點(diǎn)、并充分考慮艉滾筒安裝的方便性、轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活性和使用的可靠性，提出了一種新型的單滾筒-單軸-軸叉型艉滾筒，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)型式能夠承受大負(fù)載，安裝方便，性能可靠。

3 強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析

連接到拖纜機(jī)和拖拽物的纜繩或錨鏈可通過艉滾筒來實(shí)現(xiàn)方向的偏轉(zhuǎn)，艉滾筒主要載荷來自于與之接觸的纜繩或錨鏈，滾筒則通過兩個(gè)軸承繞軸體轉(zhuǎn)動(dòng)，軸體固定，滾筒所受合力在徑向上一般為45°方向[3]，且基本恒定，如圖2所示。

采用MSC.Patran/Nastran對(duì)艉滾筒進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算[4]。艉滾筒采用三維有限元模型，其中艉滾筒結(jié)構(gòu)采用板殼單元模擬，軸及軸支撐座采用體單元模擬。將軸支撐座左右兩端與船體接觸處的邊界約束條件視為簡(jiǎn)支，在計(jì)算中，載荷通過所建立的MPC（多點(diǎn)約束單元）傳遞到結(jié)構(gòu)上。材料選取見材料特性參數(shù)表1。

本方案計(jì)算時(shí)的合力為450*9.8=4410KN，夾角為90度（如圖2所示）。艉滾筒實(shí)際工作時(shí)，錨鏈或纜繩可能出現(xiàn)的位置貫穿單個(gè)滾筒長(zhǎng)度，計(jì)算過程中需選取幾個(gè)典型的位置來加載線載荷。無(wú)環(huán)形加強(qiáng)筋板加載時(shí)，筒體板材應(yīng)力較大；在環(huán)形加強(qiáng)筋板處加載時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在筋板處。各個(gè)工況下，兩端軸體的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。所以，選取了兩種最大受力的典型工況計(jì)算，第一種工況載荷作用在滾筒外側(cè)，第二種工況載荷作用在兩檔橫向強(qiáng)構(gòu)件之間。

典型工況一：載荷作用在滾筒外側(cè)，應(yīng)力云圖見圖3至圖7。

3.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

滾筒內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)材料采用ABS-A時(shí)，合成應(yīng)力安全系數(shù)取3，合成應(yīng)力許用值為：235/3=78.3MPa。

滾筒外板結(jié)構(gòu)材料采用AH32時(shí)，合成應(yīng)力安全系數(shù)取3，合成應(yīng)力許用值為：315/3=105MPa。

軸及軸頭基座采用鍛鋼件，其材料為35#碳鋼，抗拉強(qiáng)度為650N/mm2，屈服強(qiáng)度為320N/mm2，合成應(yīng)力安全系數(shù)取3，合成應(yīng)力許用值為：320/3=10.7MPa。

通過的應(yīng)力分析，得到的強(qiáng)度校核如下（見表3、表4）：

由計(jì)算結(jié)果可知，滾筒結(jié)構(gòu)件的計(jì)算值均小于許用值，滾筒結(jié)構(gòu)能夠滿足強(qiáng)度要求，并能承受3倍的瞬時(shí)沖力。

3.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

當(dāng)結(jié)構(gòu)所受載荷達(dá)到某一值時(shí)，若增加一微小的增量，則結(jié)構(gòu)的平衡位形將發(fā)生很大的改變，這種情況叫做結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或屈曲。對(duì)于艉滾筒，同樣需要考慮其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此對(duì)艉滾筒在最危險(xiǎn)工況加載條件下進(jìn)行屈曲分析，由屈曲分析計(jì)算結(jié)果可知屈曲載荷因子λ大于1，因此艉滾筒在安全工作載荷下工作時(shí)滿足穩(wěn)定性要求。

筒體板使用高強(qiáng)度的AH32，板材厚度只需45mm，如果筒體板采用ABS-A，板材要70mm才能達(dá)到同等的力學(xué)性能，因此我們可以從改變結(jié)構(gòu)形式和提高材料強(qiáng)度兩方面來減少艉滾筒的重量，保證轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活性。

4 安裝的方便性和使用的靈活性

如圖13所示，筒體①由軸轂、泄放管和高分子軸承組成了滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)體。支撐軸②由兩端的軸頭和中間段鋼管連接而成，兩端軸頭紅套不銹鋼襯套，中間鋼管用環(huán)氧樹脂棉包裹，起到防腐蝕作用。支撐軸固定在軸叉④內(nèi)。形成了單滾筒-單軸-軸叉的艉滾筒型式。

環(huán)氧樹脂安裝：先按照尺寸拉線定位，把軸叉焊接到船體結(jié)構(gòu)上。再把艉滾筒和支撐軸整體吊裝插入軸叉位，調(diào)節(jié)艉滾筒中心線與船中線垂直分中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、加工和安裝隔離墊塊⑤。最后，用環(huán)氧樹脂③填充軸端面與船體結(jié)構(gòu)的間隙，防止軸的橫向竄動(dòng)；軸頭上焊接止動(dòng)塊，防止軸的縱向竄動(dòng)。采用軸叉支撐，靠環(huán)氧樹脂和隔離墊塊定位，該方式可以把船體的制作誤差、艉滾筒的制作誤差和軸叉的定位誤差，通過調(diào)整環(huán)氧樹脂和隔離墊塊厚度來消除橫向的整體誤差，通過調(diào)整環(huán)氧樹脂的厚度來調(diào)整縱向的整體誤差。這樣就可以大大降低船體結(jié)構(gòu)制作精度的要求，同樣也降低了支撐軸叉的定位精度，大大減少了制作和安裝難度，縮短了生產(chǎn)周期。

開式潤(rùn)滑和冷卻：采用鯊魚鉗的冷卻水泵壓力注入冷卻水，通過軸頭的孔進(jìn)入高分子軸承，潤(rùn)滑和冷卻高分子軸承，循環(huán)完成的水從泄放管中流出。選用低摩擦系數(shù)和高承壓比的高分子軸承，可有效的減小軸徑，同時(shí)獲得更好的轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活性，有效減少拖纜絞車的摩擦功率損失。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的單滾筒-單軸-軸叉型艉滾筒，滿足450t承載要求（3倍安全系數(shù)），瞬間承載達(dá)到1350t，滿足大拖力工程船的工況需求，并已運(yùn)用于76米12000HP的海洋工程船上。

艉滾筒面板選用AH32高強(qiáng)度鋼，軸體內(nèi)部除裝有徑向加強(qiáng)筋外，在其徑向30o、60o、210o、240o方位裝有四根縱向加強(qiáng)筋板，可以大大減輕艉滾筒的重量。

采用軸叉支撐，靠環(huán)氧樹脂和隔離墊塊定位。該方式方便的把船體的制作誤差、艉滾筒的制作誤差和軸叉的定位誤差消除掉。這樣就可大大降低船體結(jié)構(gòu)制作精度的要求，同樣也降低了支撐軸叉的定位精度，大大減少了制作和安裝難度，縮短了生產(chǎn)周期。

壓力開式潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)，可以減少軸承干磨的可能性，同時(shí)有利于沖走沉淀在軸承位的雜質(zhì)和海生物，減少軸承的磨損。

選用低摩擦系數(shù)和高承壓比的高分子軸承，可有效的減小軸徑，獲得更好的轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活性，有效減少拖纜絞車的摩擦功率損失。

參考文獻(xiàn)

[1]桑巍，孫雪榮.多用途拖船尾滾筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算及研究[J].船舶，2006（2）：46-48.

[2]王良武，周瑞平，高宏.大型船用尾滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算研究[J].船舶工程.2010

510-14.

[3]李康康，張馳，周瑞平.YX3138多用途供應(yīng)船尾滾筒設(shè)計(jì)計(jì)算及研究[J].船

舶.2011105-22

[4]MSC.PATRAN&MSC.NASTRAN使用指南[Z].北京BUAA，2002.

[5]黃巍巍，馮曉慧，王逸英.環(huán)氧樹脂在尾滾筒安裝中的應(yīng)用，科技論壇

[6]CTOMH白金輝.塑料滑動(dòng)軸承的比壓計(jì)算.起重運(yùn)輸機(jī)械.1983.3.60-62.