帶抗壓輪的雙滾筒絞車(chē)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

楊濤

（國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司新疆煤制天然氣外輸管道有限責(zé)任公司，北京 100021）

雙滾筒摩擦絞車(chē)是收放絞車(chē)的牽引部分，同時(shí)該雙滾筒絞車(chē)還配置1臺(tái)儲(chǔ)纜絞車(chē)，這種組合形式的絞車(chē)容繩量大，可以適應(yīng)深水海域的鋪管作業(yè)。但目前大噸位雙滾筒摩擦絞車(chē)普遍存在軸承座強(qiáng)度不足和因軸承座承受載荷過(guò)大而發(fā)熱的問(wèn)題。

SAS公司的雙滾筒摩擦絞車(chē)的兩個(gè)滾筒通過(guò)8臺(tái)電機(jī)在絞車(chē)一側(cè)驅(qū)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)存在以下不足：每臺(tái)減速器的輸出軸都需要在機(jī)架上鉆孔以便驅(qū)動(dòng)小齒輪，這就造成機(jī)架的一側(cè)存在過(guò)多的孔，這種結(jié)構(gòu)大大降低了機(jī)架的強(qiáng)度，若靠加厚機(jī)架來(lái)解決又勢(shì)必會(huì)使整臺(tái)絞車(chē)變得笨重。

針對(duì)上述提出的雙滾筒摩擦絞車(chē)的諸如機(jī)架、軸承座強(qiáng)度不足等問(wèn)題，筆者重點(diǎn)研究了雙滾筒摩擦絞車(chē)的相關(guān)改進(jìn)設(shè)計(jì)，以期解決前述的雙滾筒摩擦絞車(chē)工作過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。主要設(shè)計(jì)改進(jìn)為：

（1）在2個(gè)滾筒之間增加抗壓輪。

（2）電機(jī)采用兩側(cè)布置的方式。

1 雙滾筒絞車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)和原理

在充分考慮絞車(chē)安裝、運(yùn)輸、維修及各零部件連接、定位、配合等因素的前提下，帶抗壓輪的雙滾筒摩擦絞車(chē)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙滾筒摩擦絞車(chē)主要由電動(dòng)機(jī)（8臺(tái)）、減速器（8臺(tái)）、滾筒（2臺(tái)）、開(kāi)式齒輪傳動(dòng)裝置、抗壓輪和機(jī)架等組成。

圖1 帶抗壓輪雙滾筒摩擦絞車(chē)三維圖

其主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）每個(gè)滾筒由4臺(tái)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，滾筒每側(cè)布置2臺(tái)電機(jī)。2個(gè)滾筒共同牽引鋼纜，可以獲得較大的牽引力。

（2）采用抗壓輪來(lái)承擔(dān)兩滾筒之間的作用力可以有效減小軸承座載荷，減小軸承負(fù)載，避免軸承發(fā)熱現(xiàn)象的出現(xiàn)。

雙滾筒絞車(chē)的具體工作過(guò)程描述：電機(jī)輸出端通過(guò)聯(lián)軸器與減速器聯(lián)接，減速器輸出端聯(lián)結(jié)開(kāi)式小齒輪，大齒輪通過(guò)螺栓連接固定在滾筒上，小齒輪與大齒輪通過(guò)嚙合運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)。

電機(jī)的正反轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)滾筒的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)鋼纜的收、放操作。通過(guò)變頻調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可滿足鋼纜收放的速度。開(kāi)有鋼絲繩繩槽的滾筒被8臺(tái)兩側(cè)布置的電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)。

雙滾筒絞車(chē)的鋼纜纏繞形式為：鋼纜周而復(fù)始地從一個(gè)筒體的繩槽繞到另一個(gè)筒體的相鄰繩槽上，不像在單滾筒絞車(chē)上整圈地纏繞。

1.2 抗壓輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文鋼絲繩的設(shè)計(jì)拉力為400t的超大載荷，在兩個(gè)滾筒之間布置抗壓輪來(lái)承擔(dān)滾筒之間的作用力。中間軸上的抗壓輪受到一對(duì)力偶作用，大小相等，方向相反，中間軸承座受力甚微。這樣抗壓輪就承受了軸承座的載荷，減小了軸承座的負(fù)載，也避免了軸承發(fā)熱嚴(yán)重現(xiàn)象的出現(xiàn)。

滾筒輪轂和中間抗壓輪構(gòu)成金屬—金屬摩擦副，主要失效形式為表面疲勞磨損和表面磨粒磨損。根據(jù)抗壓輪的工作特點(diǎn)，抗壓輪的材料應(yīng)滿足以下幾個(gè)要求：

（1）彈性模量較大。

（2）表面接觸強(qiáng)度高和耐磨性要好。

根據(jù)以上要求，淬火鋼—淬火鋼相配的輪面材料是比較理想的，選擇40Cr作為抗壓輪材料，高頻淬火，為滿足疲勞壽命和需用接觸應(yīng)力，硬度達(dá)到58HRC。

1.3 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)滾筒提供支撐的機(jī)架是雙滾筒摩擦絞車(chē)的主要承載構(gòu)件，改進(jìn)設(shè)計(jì)后的機(jī)架可減少重量、節(jié)約材料，同時(shí)增強(qiáng)設(shè)施的耐磨性、剛度，從而提高機(jī)器的工作精度。

本文的機(jī)架由機(jī)架底盤(pán)、支撐板、加強(qiáng)筋和軸承座等組成，主要是對(duì)滾筒、齒輪、主軸、電機(jī)和減速器等起支撐作用。

針對(duì)SAS公司雙滾筒摩擦絞車(chē)機(jī)架強(qiáng)度不足的問(wèn)題，筆者提出8臺(tái)電機(jī)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)2個(gè)滾筒的方法。通過(guò)行星齒輪減速器，將動(dòng)力傳給4個(gè)小齒輪，4個(gè)小齒輪共同驅(qū)動(dòng)2個(gè)大齒輪。

每個(gè)小齒輪由2臺(tái)對(duì)稱布置在滾筒兩邊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于機(jī)架上需要為減速器輸出軸設(shè)計(jì)出多個(gè)孔以便驅(qū)動(dòng)小齒輪，因此和單邊驅(qū)動(dòng)相比較，采用8臺(tái)電機(jī)雙邊驅(qū)動(dòng)的方式可以避免機(jī)架的一側(cè)存在過(guò)多的孔而造成機(jī)架強(qiáng)度下降的問(wèn)題，同時(shí)也避免了多個(gè)電機(jī)布置在一側(cè)造成的盤(pán)式剎車(chē)不易布置的問(wèn)題。

機(jī)架底盤(pán)全部由槽鋼焊接而成，槽鋼的規(guī)格全部為CH400×59。之所以選擇焊接而不是鑄造的主要原因是為了降低制造成本，且設(shè)計(jì)的雙滾筒摩擦絞車(chē)不是批量生產(chǎn)。底盤(pán)由兩部分組成：支撐滾筒部分和安裝電機(jī)、減速器的部分。為了便于更換和裝配，軸承座用螺栓固定在機(jī)架上。為了便于主軸裝配，軸承座設(shè)計(jì)成分體式，上下兩部分通過(guò)螺栓聯(lián)接在一起。

支撐板是承受滾筒自重、鋼絲繩拉力以及齒輪嚙合力的主要元件之一，對(duì)其強(qiáng)度要求比較嚴(yán)格。因此需要在支撐板上焊接加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋也用CH400×59的槽鋼。所以需要支撐板上加工4個(gè)孔，孔徑比減速器輸出軸略大。

抗壓輪磨損分析。

抗壓輪摩擦副承載初期的接觸面積小，隨著承載增加，端部變形增加，接觸面積也隨之增大?？箟狠喣p過(guò)程是一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，影響因素很多。外部因素主要有載荷、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、持續(xù)時(shí)間、潤(rùn)滑條件、溫度、磨粒的尺寸、磨粒的幾何形狀以及磨粒的切入角等。內(nèi)部因素包括材料的組織結(jié)構(gòu)和材料力學(xué)性能。為了減小磨損，可以給雙滾筒摩擦絞車(chē)配備防護(hù)罩，防止磨粒進(jìn)入摩擦副。

假設(shè)在沒(méi)有中間抗壓輪的情況下，兩滾筒在鋼絲繩拉力的作用下變形量均為Δs，則總變形量為 Δf=2Δs。因此，當(dāng)總磨損量Δh＜Δf時(shí)，抗壓輪和輪轂仍然可以接觸，抗壓輪可以繼續(xù)使用，而當(dāng)Δh＞Δf時(shí)，抗壓輪和輪轂之間出現(xiàn)縫隙，不能接觸，抗壓輪失效。

抗壓輪摩擦副總的磨損量用Δh表示，抗壓輪和輪轂各自的磨損量分別用hs和hk表示，則：

用Archard模型來(lái)計(jì)算實(shí)際磨損量：

式中，V為磨損體積；h為磨損深度；P為抗壓輪接觸點(diǎn)的接觸應(yīng)力；k為線性摩擦系數(shù)，K為磨損系數(shù)，H為布氏硬度。

抗壓輪摩擦副的接觸點(diǎn)是不斷變化的，因此需要用微積分的方法計(jì)算磨損量。

式中，T為抗壓輪摩擦副的工作周期；v為抗壓輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

在給定的使用時(shí)間t內(nèi)，平均磨損量Δh為：

式中，k1為抗壓輪的線性摩擦系數(shù)；k2為滾筒輪轂的線性摩擦系數(shù)。

許用磨損量為：

2 強(qiáng)度分析

2.1 雙滾筒絞車(chē)受力分析

雙滾筒絞車(chē)在工作過(guò)程中，機(jī)架等受力很復(fù)雜。作用在機(jī)架上的力主要包括4000kN鋼絲繩拉力對(duì)機(jī)架軸承座的作用力，鋼絲繩纏繞滾筒對(duì)機(jī)架的作用力，儲(chǔ)纜絞車(chē)鋼絲繩拉力對(duì)機(jī)架軸承座的作用力等。

2.1.1 計(jì)算未纏繞到滾筒上的鋼絲繩對(duì)機(jī)架的作用力

通過(guò)計(jì)算分別得到水平支反力和豎向支反力：

2.1.2 計(jì)算儲(chǔ)纜絞車(chē)一端鋼絲繩對(duì)主軸支座的支反力

儲(chǔ)纜絞車(chē)鋼絲繩拉力25噸，實(shí)際中儲(chǔ)纜絞車(chē)一端鋼絲繩拉力方向是不確定的，在0～90度之間變化，本文對(duì)0度、45度和90度3種情況分別分析，當(dāng)在這3種情況下A&R絞車(chē)強(qiáng)度都滿足要求時(shí)，即可說(shuō)明強(qiáng)度是可靠的。

（1）當(dāng)鋼絲繩拉力為水平方向時(shí)

（2）當(dāng)鋼絲繩拉力與水平方向夾角為45°時(shí)

（3）當(dāng)鋼絲繩拉力與水平方向夾角為90°時(shí)

2.2 雙滾筒絞車(chē)有限元分析

雙滾筒摩擦絞車(chē)零部件的過(guò)度磨損和變形會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致事故發(fā)生，因而在設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)加強(qiáng)關(guān)鍵零部件的受力分析計(jì)算，確保絞車(chē)運(yùn)行安全可靠。

根據(jù)本文提出的帶抗壓輪雙滾筒絞車(chē)的實(shí)際結(jié)構(gòu)及其在工作中的受力情況，進(jìn)行了三位建模和有限元分析，并與不帶抗壓輪的雙滾筒絞車(chē)的分析結(jié)果進(jìn)行了比較，其應(yīng)力從有限元分析可知：

（1）抗壓輪的引入有效的降低了軸承座的應(yīng)力。通過(guò)對(duì)比分析可以看到，由于增加了抗壓輪，軸承座所受應(yīng)力大大減小，應(yīng)力從264MPa減小為167MPa。

（2）絞車(chē)滾筒的變形主要是徑向變形，其他方向的變形都比較小。滾筒最大應(yīng)力位于其內(nèi)壁，最大應(yīng)力達(dá)到180MPa。滾筒體在其側(cè)壁的約束下，滾筒軸向應(yīng)力分布不均。

中部的壓力較兩側(cè)大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在筒壁中部，筒壁中部承受了較大的鋼絲繩徑向壓力載荷，因而所受的應(yīng)力最大，這與實(shí)際是相符的。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)目前雙滾筒絞車(chē)普遍存在軸承座應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題，提出使用中間抗壓輪來(lái)承受應(yīng)力的方法。對(duì)比有限元分析結(jié)果，中間抗壓輪的引入有效降低了軸承座的應(yīng)力，同時(shí)避免了軸承發(fā)熱嚴(yán)重現(xiàn)象，說(shuō)明抗壓輪在大噸位雙滾筒摩擦絞車(chē)上的應(yīng)用是成功的。

（2）針對(duì)大噸位雙滾筒摩擦絞車(chē)機(jī)架強(qiáng)度不夠的問(wèn)題，本文提出了電機(jī)兩側(cè)布置雙邊驅(qū)動(dòng)的方式。該方式可避免機(jī)架一側(cè)存在過(guò)多的孔而造成機(jī)架強(qiáng)度下降的問(wèn)題。