克令吊車回轉(zhuǎn)軸承和基座法蘭盤接觸分析

，， ，

(1.中國船級社秦皇島分社，河北 秦皇島 066002；2.中國船級社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022；3.中國船級社天津分社，天津 300457)

某船廠多臺(tái)DY105船用克令吊車在最大承載能力下運(yùn)行時(shí)有異常響聲產(chǎn)生，通過試驗(yàn)檢測可確定聲源產(chǎn)生于基座法蘭盤和吊車回轉(zhuǎn)軸承的接觸面內(nèi)，異響較大時(shí)可觀測到吊車下端的回轉(zhuǎn)軸承和基座法蘭盤接合面間出現(xiàn)明顯徑向和周向錯(cuò)動(dòng)?；ㄌm盤和回轉(zhuǎn)軸承接合處的結(jié)構(gòu)形式見圖1，基座法蘭盤和回轉(zhuǎn)軸承之間通過68個(gè)螺栓進(jìn)行連接。

圖1 回轉(zhuǎn)軸承和基座法蘭盤之間的螺栓連接

該問題是一個(gè)典型的接觸問題，在吊車轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，法蘭盤和回轉(zhuǎn)軸承接觸面周期性的張開和閉合以及接觸面的周向和徑向錯(cuò)動(dòng)很可能是產(chǎn)生異響的主要原因[1]。

1 主要原因的初步分析

螺栓，法蘭以及回轉(zhuǎn)軸承交界的地方，必須保證足夠精細(xì)的網(wǎng)格劃分來使得計(jì)算結(jié)果盡量精確。根據(jù)對稱性邊界條件建立半個(gè)模型，對其進(jìn)行加載，在初步分析中，考慮建模和劃分網(wǎng)格的方便，采用圓柱形基座代替圓錐形基座進(jìn)行建模，螺栓采用圓柱體進(jìn)行建模[2-3](該吊車螺栓預(yù)緊力為33 kN)。在吊車頂端設(shè)置剛性面，通過在剛性面上施加凈力矩(該吊車額定凈力矩為1 008 N·m)來考察結(jié)構(gòu)的變形?；锥瞬捎霉讨н吔鐥l件，約束基座底端節(jié)點(diǎn)上的所有位移和轉(zhuǎn)角；在模型切開面上施加對稱性邊界條件，見圖2。

圖2 法蘭和回轉(zhuǎn)軸承半模型

對法蘭盤和回轉(zhuǎn)軸承的接觸面周圍進(jìn)行局部網(wǎng)格劃分，在回轉(zhuǎn)軸承和法蘭盤的接觸面上分布面接觸單元，定義該法蘭盤表面為柔性面，回轉(zhuǎn)軸承下表面為剛性面[4]。

初步分析認(rèn)為，即使在接觸面上摩擦力系數(shù)設(shè)置為0的情況下，僅僅依靠螺栓的抗彎性能，在接觸面上的徑向和周向錯(cuò)動(dòng)的量級相對于接觸面的張開來說也是小量，可以忽略，因此在下面的分析中本文主要關(guān)注接觸面上的最大張開距離。

分析結(jié)果見圖3。

圖3 法蘭盤和回轉(zhuǎn)軸承之間張開和閉合示意

很明顯，整個(gè)接觸面受拉的一方，回轉(zhuǎn)軸承底面被拉起，接觸面之間出現(xiàn)了較明顯的裂縫；而另一端受壓下，回轉(zhuǎn)軸承底面和法蘭盤緊密地壓在一起。可以判斷，該接觸面的張開很可能是響聲產(chǎn)生的主要原因，隨吊車頂端的轉(zhuǎn)動(dòng)，接觸面上不同部位的張開和閉合會(huì)產(chǎn)生巨大的響聲。

下面對不同因素對接觸面張開距離的影響進(jìn)行分析。

1.1 吊車凈力矩對接觸面張開距離的影響

接觸問題非線性較強(qiáng)[5]，本文通過設(shè)置不同的吊車凈力矩考察法蘭盤和回轉(zhuǎn)軸承接觸面最大張開距離隨吊車凈力矩變化的關(guān)系。接觸面張開距離大小隨吊車凈力矩增大而增加，且表現(xiàn)出一定的非線性：隨著吊車凈力矩的增加，張開幅度呈加速增大趨勢，見圖4。

圖4 接觸面最大張開距離隨吊車凈力矩的變化

這說明在額定凈力矩1 008 N·m的時(shí)候，接觸面有一定程度的張開，考慮到建造及運(yùn)行過程中的不確定性因素，接觸面實(shí)際張開的距離可能更大，因?yàn)樵搩袅氐臄?shù)值(1 008 N·m)已經(jīng)到達(dá)了接觸面張開的臨界值[6]，該數(shù)值小幅度增加，就會(huì)導(dǎo)致張開距離的較大增加。

1.2 螺栓預(yù)緊力對接觸面張開距離的影響

螺栓預(yù)緊力對于接觸面的張開也有非常重要的作用，足夠的預(yù)緊力可以保證基座法蘭盤和回轉(zhuǎn)軸承之間能夠牢固地貼合在一起，從而不被拉開，同時(shí)上下表面的緊密結(jié)合也提供了足夠的摩擦力，使得上下法蘭之間錯(cuò)動(dòng)比較困難。

下面針對1 008 N·m凈力矩下不同預(yù)緊力情況下的最大張開距離進(jìn)行考察。所有螺栓的預(yù)緊力相同，從圖5可以看出，接觸面最大張開距離隨預(yù)緊力的增大而迅速下降。在螺栓預(yù)緊力為330 kN時(shí)，接觸面有一定程度的張開，而當(dāng)螺栓預(yù)緊力達(dá)到450 kN時(shí)，接觸面之間幾乎不張開。

圖5 接觸面最大張開距離隨螺栓預(yù)緊力的變化趨勢

1.3 法蘭盤厚度及基座高度對張開距離的影響

法蘭部分的剛度是由法蘭盤的厚度以及基座高度共同決定的,因此有必要研究不同基座高度及法蘭盤厚度對接觸面張開距離的影響[7]，基座法蘭盤厚度分別為56、76和96 mm時(shí)，接觸面最大張開距離隨吊車凈力矩及基座高度變化的趨勢見表1。

表1 不同底座高度下的張開距離

分析表1可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律。

1)基座高度越高，接觸面最大張開距離越大，且吊車力矩越大，基座高度對于最大張開距離的影響越大，這說明基座剛度的強(qiáng)弱支持對于張開距離有一定的影響，但是總體來說影響有限；

2)法蘭盤厚度增大，接觸面最大張開距離有所減小，但是這種影響相對于預(yù)緊力和吊車凈力矩的影響來說相當(dāng)有限。

2 圓錐形基座建模方式分析

前面分析中基座采用圓柱形建模方式而實(shí)際建造過程中采用的是圓錐形基座。下面將對圓錐形基座情況下接觸面的變形進(jìn)行考察，進(jìn)一步反應(yīng)模型的實(shí)際情況，選取鋼材和鋼材的摩擦力系數(shù)為0.3，基座底端剛性固支，仍然僅建立半個(gè)模型進(jìn)行考察，中剖面上施加對稱性邊界條件，在吊車頂端通過剛性面施加凈力矩作用，見圖6。

圖6 基座法蘭盤和回轉(zhuǎn)軸承接觸分析有限元模型

2.1 算例1(預(yù)緊力33 kN，凈力矩1 008 N·m)

分析結(jié)果顯示，同等情況下圓錐形基座接觸面上的張開距離相對于圓柱形基座減少了很多，僅相當(dāng)于圓柱形基座的1/3左右，這說明圓錐形桶形基座對降低接觸面之間的張開距離是大有裨益的[8]。隨著吊車凈力矩的增加，圓錐形基座下接觸面最大張開距離也呈非線性增加，且隨著預(yù)緊力的增大，最大張開距離也迅速減小，這說明接觸問題本身就是一個(gè)非線性比較強(qiáng)的問題，在跨越臨界值以后，接觸面的最大張開距離迅速增加。

圖7給出了接觸面上最大張開距離處的局部變形情況，可發(fā)現(xiàn)上下表面明顯張開，且有錯(cuò)動(dòng)。

其它各個(gè)方向上的錯(cuò)動(dòng)距離見表2，其中UZ表示對應(yīng)點(diǎn)的張開距離，UX和UY表示接觸面內(nèi)的錯(cuò)動(dòng)。

圖7 接觸面上張開示意

表2 法蘭盤厚度為71 mm時(shí)接觸面上最大張開點(diǎn)處的位移 mm

2.2 算例2(基座法蘭盤厚度96 mm)

增大法蘭盤厚度可以提高基座法蘭盤的剛度，建立和算例1同樣的有限元模型，僅將基座法蘭盤的厚度從71 mm改為96 mm，預(yù)緊力仍然為33 kN，吊車凈力矩為1 008 N·m，計(jì)算結(jié)果顯示接觸面上最大張開點(diǎn)的張開距離有將近50%的減小，錯(cuò)動(dòng)距離也有所減小，見表3。

表3 法蘭盤厚度為96 mm時(shí)接觸面上最大張開點(diǎn)處的位移

2.3 算例3(加肘板)

為了提高基座法蘭盤的剛度，在基座頂端和法蘭盤處添加肘板是方便可行的辦法[9]，見圖8。肘板的實(shí)際添加方案可以考慮68軸板，34軸板以及17肘板三種情況。從表4中可以看出肘板加強(qiáng)對于減小接觸面上的張開是有效的，17個(gè)肘板足以大大減小接觸面上的最大張開距離，更多的肘板是不需要的，然而值得注意的是該方案對于減小接觸面上的徑向錯(cuò)動(dòng)效果有限，僅當(dāng)68個(gè)肘板時(shí)，徑向錯(cuò)動(dòng)距離有比較明顯的下降。

表4 不同肘板加強(qiáng)方案接觸面上最大張開點(diǎn)處的位移

圖8 肘板加強(qiáng)方案

3 結(jié)論

通過對上述接觸問題的分析，可以看出克令吊車的凈力矩和螺栓的預(yù)緊力對接觸面張開距離影響最大，基座法蘭盤的剛度影響較小。且這些影響因素與接觸面張開距離呈較強(qiáng)的非線性關(guān)系，因此在以后的克令吊車設(shè)計(jì)中，必須充分考慮接觸分析，為設(shè)計(jì)儲(chǔ)備足夠的裕度，使吊車的額定工作環(huán)境避開臨界值，從而減小甚至消除異響的產(chǎn)生。肘板方案僅是一個(gè)暫時(shí)方案，可以考慮在克令吊車的暫時(shí)修理中使用，但是考慮到克令吊車的長期使用壽命，其設(shè)計(jì)裕度很低，不排除在以后的使用中，吊車會(huì)重新產(chǎn)生異響的可能性。

本文的計(jì)算結(jié)果具有比較高的精度，可以作為克令吊車的設(shè)計(jì)參照。由于本文的結(jié)果僅從定性上考慮各種因素的影響，且接觸問題非線性較強(qiáng)，許多接觸參數(shù)的設(shè)置需要依賴于試驗(yàn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，因此，接觸面張開距離的系列試驗(yàn)將成為需要進(jìn)一步深入研究的課題。

[1] 張 澄，沈 鵬.大型雙克令吊起重柱基座設(shè)計(jì)及三維有限元強(qiáng)度分析計(jì)算[J].造船技術(shù),2000，32(2):7-10.

[2] 王 凱，蔡立山，黃添彪.139 m甲板運(yùn)輸船克令吊底座強(qiáng)度有限元分析[J].中國水運(yùn),2011，23(11):2-6.

[3] 陳 帥，王 雷，王 彪.浮吊船的動(dòng)載荷計(jì)算與安全分析[J].船海工程，2009，38(1)：12-15.

[4] 楊祥裕.解決克令吊基座法蘭平面度超差的簡易方法[J].廣東造船,2011，28(4):20-26.

[5] ZHOU CHUNGUI,ZHANG XINONG,HU JIE,et al.Hybrid modeling based on finite element method and neural network[J].Journal of Vibration Engineering，2012，25(1):13-18.

[6] 孫雪榮，徐 彬.克令吊基座的局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].船舶,2006，31(6):6-12.

[7] MA WANGKOU,SU XUE.Optimization design of local stiffened structure for crane pedestal and reinforcement structures[J].Ship & Boat,2009，20(3):31-37.

[8] 陸梅興，胡靈斌，唐 軍.克令吊底座法蘭螺栓的受力計(jì)算[J].船舶,2007，22(2):26-30.

[9] 王立軍，謝永和.克令吊底座強(qiáng)度有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào),2007，26(1):3-10.