船用艉滾筒若干設(shè)計問題

郭朝義，張 馳

(泰州口岸船舶有限公司，江蘇泰州2253213)

船用艉滾筒若干設(shè)計問題

郭朝義，張 馳

(泰州口岸船舶有限公司，江蘇泰州2253213)

針對船用艉滾筒的結(jié)構(gòu)特點,基于通用有限元軟件及其二次開發(fā)功能對艉滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計,分析影響艉滾筒轉(zhuǎn)動狀態(tài)的因素,推導(dǎo)轉(zhuǎn)動臨界載荷與繩索包角之間的關(guān)系,對軸承的選擇及潤滑系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行討論。

艉滾筒;總體設(shè)計;有限元法;參數(shù)化

目前,國內(nèi)艉滾筒產(chǎn)品尺寸小、負(fù)載能力低,大型船用艉滾筒研究還處于初步階段,船級社對于艉滾筒的設(shè)計及制造尚無具體的規(guī)范［1］,隨著海洋工作船的拖帶能力日漸提高,艉滾筒也向著大型化發(fā)展,其結(jié)構(gòu)的合理性和工作的安全性也變得尤為重要。因此,有必要對其結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)等相關(guān)問題進(jìn)行探討,優(yōu)化其設(shè)計方法和使用性能,以適應(yīng)市場需求。

1 艉滾筒結(jié)構(gòu)及受力分析

艉滾筒結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)、外兩部分組成。外部為筒體,包括外筒和加強(qiáng)筋,加強(qiáng)筋可提高滾筒的承載能力;內(nèi)部為軸體,一般由空心軸、軸頭和加強(qiáng)筋焊接而成。艉滾筒的大小取決于船舶大小和所需的拖帶能力,直徑和長度是其主要外形結(jié)構(gòu)參數(shù)。艉滾筒直徑越大,剛性越好,整體負(fù)載能力越高;艉滾筒的長度決定繩索的擺角,即工作范圍。艉滾筒過長,其剛度會降低。目前常用的艉滾筒結(jié)構(gòu)有單筒體和雙筒體,見圖1。

對于單筒體,兩端各一個滑動軸承,其支撐方式為兩點支撐。軸體兩端承受筒體重力及外載荷,其空心軸壁厚較小,用于兩端軸頭的對中。因兩支撐點間的跨度較大,內(nèi)部采用間隔布置的環(huán)形筋和內(nèi)筒,并在環(huán)形面筋之間布置縱向筋用于保證整體強(qiáng)度。對于雙筒體,筒體對稱布置,每個筒體有兩個滑動軸承,軸的中部有兩個支撐點,也承受較大載荷,所以空心軸壁厚較大。因支撐點之間的跨度相對較小,縱向筋可做成整體式,尺寸較大,可承受較大負(fù)載,縱向筋之間布置環(huán)形筋,起輔助加強(qiáng)作用。

圖1 艉滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

艉滾筒的作用類似于定滑輪,用來改變力的方向,減少滑動摩擦。繩索經(jīng)過艉滾筒時出現(xiàn)轉(zhuǎn)角(0°～90°),艉滾筒受力見圖2。

圖2 艉滾筒受力示意

由于艉滾筒的受力表面為圓弧面,其受力呈非線性,設(shè)計中取包角為90°,此時,艉滾筒受力最大。參照定滑輪、軸體等受力情況相似的構(gòu)件計算經(jīng)驗,其壓力分布采用正弦波形描述:假設(shè)45°方向單位弧長上的力為fmax,即正弦函數(shù)的峰值,0°～45°與45°～90°范圍內(nèi)的受力分布對稱于45°徑線,其中0°～45°范圍內(nèi)的受力分布為［2-3］

艉滾筒總載荷可表示為

式中:r——艉滾筒半徑;

l——單元弧長。

將艉滾筒的設(shè)計載荷F代入式(2),可以反推出力的峰值fmax,進(jìn)而由式(1)可得出0°～45°范圍內(nèi)的受力分布。

2 艉滾筒結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計

艉滾筒雖然結(jié)構(gòu)龐大,但整體結(jié)構(gòu)規(guī)則,建模所需結(jié)構(gòu)參數(shù)有限,如軸體的外徑為環(huán)形筋的內(nèi)徑,環(huán)形面板的外徑為外筒的內(nèi)徑,環(huán)形面板的間距為縱向筋的寬度,相鄰環(huán)形筋的間距相同,等。此外,軸體的長度、筒體的長度、加強(qiáng)筋的厚度和周向均布數(shù)量均可進(jìn)行設(shè)置。由于艉滾筒的圖形界面(GUI)建模過程比較繁瑣,尤其是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠時需要修改甚至重新建立模型,需要耗費(fèi)大量的時間,因此可以利用有限元的二次開發(fā)功能進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計,設(shè)計流程見圖3。

圖3 艉滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計流程

設(shè)計的艉滾筒規(guī)格見表1。

通過參數(shù)化建模和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算,可以得到優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,見表2。模型及有限元分析結(jié)果分別見圖4、5。

表1 艉滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計系列

表2 各種規(guī)格結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

圖4 各種規(guī)格結(jié)構(gòu)模型

圖5 各種規(guī)格有限元分析結(jié)果

3 艉滾筒轉(zhuǎn)動臨界條件

圖6為拖船-艉滾筒-被拖物體系統(tǒng)示意,艉滾筒受力狀況的變化會影響其轉(zhuǎn)動效果,主要影響因素如下。

圖6 拖船-艉滾筒-被拖物體系統(tǒng)

1)滾筒的重量。

2)鋼絲繩或錨鏈的張力(含鋼絲繩或錨鏈自身的重力)。

3)鋼絲繩或錨鏈在艉滾筒上的包角。

4)鋼絲繩或錨鏈與外筒表面之間的摩擦系數(shù)及軸承與軸之間的摩擦系數(shù)。

為了保證艉滾筒工作時筒體能夠正常轉(zhuǎn)動,防止繩索與筒體外表面產(chǎn)生滑動摩擦,需滿足

式中:μ1——鋼絲繩或錨鏈與筒體表面的摩擦系數(shù);

μ2——軸承與軸頸之間的摩擦系數(shù);

α——包角,0°＜α≤90°;

F1——鋼絲繩的張力,kN;

F2——作用在外筒表面的合力,由F1和α得到,kN;

G——筒體重力,kN。

由機(jī)械設(shè)計手冊知,鋼-鋼在無潤滑時的動摩擦系數(shù)為μ1=0.1［4］。軸承以某復(fù)合材料為例,水潤滑時摩擦系數(shù)為μ2=0.01。

以規(guī)格⑥為例,經(jīng)過建模及測量,筒體的重量為37 t,2個滑動軸承承力G=362.6 kN。代入式(1),經(jīng)整理可得

顯然,使艉滾筒轉(zhuǎn)動的鋼絲繩(或錨鏈)最小張力F1與包角α有關(guān),為保證艉滾筒轉(zhuǎn)動,鋼絲繩(或錨鏈)的包角與對應(yīng)最小張力見圖7。

圖7 最小張力與包角關(guān)系

由圖7可見,包角越大,使艉滾筒轉(zhuǎn)動的鋼絲繩(或錨鏈)最小張力越小,即艉滾筒越容易轉(zhuǎn)動。當(dāng)進(jìn)行錨泊工作或深海拖曳時,錨鏈或鋼絲繩在滾筒上的包角比較大,滾筒相對較容易轉(zhuǎn)動;如果鋼絲繩在滾筒上的包角較小,可能出現(xiàn)滑動摩擦,這時應(yīng)該控制鋼絲繩的出繩或收繩速度不能過快。

4 軸承選擇及潤滑方案設(shè)計

4.1 軸承材料及潤滑方式

艉滾筒軸承一般采用具有自潤滑功能的復(fù)合材料軸承或銅合金軸承,潤滑方式有開式海水潤滑、閉式淡水潤滑和油脂潤滑等方式,需根據(jù)實際情況選擇合理的方式。

對于開式海水潤滑,管系材質(zhì)的耐蝕性是影響海水管系腐蝕破壞的主要因素,在設(shè)計時需要考慮管系材質(zhì)、流體流速及電偶腐蝕等設(shè)計因素。目前海水管系可以選擇的材質(zhì)主要有:紫銅管、無縫鋼管(含經(jīng)熱浸鋅或涂塑的無縫鋼管)、鎳銅管(B10、B30)、HDR(α-γ)雙相不銹鋼管等［5］。海水在管系中流速過快,對金屬表面造成直接沖撞或摩擦,破壞了管系表面所形成的保護(hù)膜,加速了海水管系的腐蝕和磨蝕,因此,需嚴(yán)格控制管內(nèi)海水的流速。海水在潤滑的同時也起到了冷卻的作用,并且不會造成污染。因此,開式海水潤滑結(jié)構(gòu)相對較簡單。

若采用閉式淡水潤滑,管子材料可采用不銹鋼或鎳銅管。軸承的發(fā)熱會降低其性能和使用壽命,因此需要一個冷卻系統(tǒng)對淡水進(jìn)行冷卻,使?jié)櫥到y(tǒng)相對比較復(fù)雜。

油脂潤滑的關(guān)鍵問題是避免泄漏而造成污染,因此對管路的密封性要求很高;另一方面,因摩擦產(chǎn)生的熱量使油脂溫度升高,潤滑效果降低,所以需定期檢查油脂的質(zhì)量,必要時進(jìn)行更換。由于工作時管路中無介質(zhì)流動,油脂對管子基本無腐蝕作用,故油管的尺寸可設(shè)計得較小。

4.2 冷卻水流量計算

對于水潤滑,需計算冷卻水流量。當(dāng)鋼絲繩(或錨鏈)的包角為90°時,軸承載荷以及因摩擦生熱而消耗的功為最大,所需冷卻水流量也最大。摩擦消耗的功與艉滾筒工作條件有以下關(guān)系。

式中:W——軸承與軸頸之間因摩擦消耗的功, kJ;

μ——軸承與軸頸之間的摩擦系數(shù);

F1——鋼絲繩的張力,kN;

G——筒體重力,kN;

v——滑動軸承的線速度,m/s,

式中:v1——鋼絲繩(或錨鏈)的速度,m/min;

d——滑動軸承內(nèi)徑,m; D——滾筒外徑,m。由式(3)和式(4)可得

開式潤滑,海水密度約為ρ=1 025 kg/m3,比熱容約為c=3.9 kJ/(kg˙℃)。由于海水溫度超過55℃后,海水中的鹽析出,產(chǎn)生積垢,影響換熱,一般取50℃以下,因此限定冷卻海水的溫升為Δt=10℃。所需冷卻水流量為

即

對于淡水潤滑,冷卻水流量為

5 結(jié)論

1)根據(jù)艉滾筒的結(jié)構(gòu)特點和受力形式,運(yùn)用有限元軟件和二次開發(fā)功能實現(xiàn)艉滾筒結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計,使設(shè)計效率大大提高。

2)通過對艉滾筒轉(zhuǎn)動臨界條件的分析,可以預(yù)知艉滾筒的工作狀態(tài),防止艉滾筒長時間在惡劣工況下工作。

3)設(shè)計時應(yīng)充分考慮艉滾筒軸承選型需要考慮的因素以及各種潤滑方式的優(yōu)缺點,使?jié)櫥到y(tǒng)的設(shè)計更加合理。

［1］王良武,周瑞平,高 宏.大型船用尾滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計計算研究［J］.船舶工程,2010(5):10-14.

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

［3］李慧光,杜長龍.刮板輸送機(jī)機(jī)尾滾筒損壞原因分析及改進(jìn)措施［J］.中州煤炭,2006(4):58-59.

［4］成大先.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2004:1-8.

［5］沈 宏,高 峰,張關(guān)根,等.艦船海水管系選材及防腐對策［J］.船舶工程,2002(4):43-44.

Research of Parameterized Design for the Structure of Marine Stern Roller

GUO Chao-yi,ZHANG Chi
(Taizhou Kouan Shipbuilding Co.Ltd,Taizhou Jiangsu 225321,China)

In light of the structural characteristics ofmarine stern roller,the common CAE software and its secondary development functions are used for the parameterized design of the ship's stern rollers.The factors affecting the rotation state of the roller are analyzed;the relation between the rotation critical load and the wrap angle of the cable or anchor chain is obtained.The paper also discusses about the selection of bearing and design of lubrication system.

ship's stern roller;structural design;FEM;parameterization

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.009

U674.38;TP391

A

1671-7953(2015)03-0037-04

2014-10-18

修回日期:2014-10-31

江蘇省科技支撐計劃(BE2013107)

郭朝義(1964-),男,碩士,高級工程師

研究方向:船型研發(fā)及船舶企業(yè)信息化應(yīng)用

E-mail:guocy@cnkasc.com