某海工船單點系泊系統(tǒng)采用SBM的設計，軟鋼臂結構的頭部為圓形浮筒，尾部為長圓筒，中間有2個連接臂，單點系統(tǒng)與船舶通過鋼絲繩連接。因其回轉裝置的大軸承經檢測徑向和軸向間隙超過磨損極限，需更換新回轉大軸承和相關的密封件。因為軸承換新時必須使單點系泊裝置中的軸承處于水平位置，這就要求將裝有軸承的浮筒部分提升約15m，此時軸承中心在水平方向向后移動約4m。

提升機構主要由鋼絲繩千斤頂、2個支撐架、1根水平橫梁和8組滾輪裝置組成。水平橫梁兩端各裝4組滾輪裝置，提升過程中水平橫梁會沿船長方向緩慢向后移動，就需要使用體積小、重量輕、結構緊湊、承載能力大的滾輪移動裝置。

海爾曼公司生產的高負載滾輪，承載量1～1000t，性能可靠，能根據客戶要求進行特殊定制，在世界上有許多著名的應用案例。考慮到定購滾輪裝置價格昂貴，定購時間長，基于成本的考慮，我們決定自制滾輪裝置。

1 設計的相關考慮

1)滾輪裝置的負載。單點系泊裝置總質量約2020t，提升所需約520t，由8套滾輪裝置承載，每套滾輪裝置承載約65 t。每套滾輪裝置設計最少承載滾子數為7個，單個滾子承載為9.28 t，考慮提升和下降過程的動載因素，初定單個滾子承載為10t，則單套滾輪裝置可承載70t。

2)材料的選用。與滾子接觸的承載支撐板，考慮其強度和耐磨性的要求，應選取強度高、焊接性好、硬度適中的材料。滾子是本裝置的主要承載件，考慮其強度要求高，又要便于加工和采購，可采用高強度的合金鋼鍛件。

3)滾輪裝置的加工。與滾子接觸的承載支撐板，寬度達270mm，初步設計時要求焊接后加工底部的接觸面，且兩端精加工后應為圓弧面，考慮到焊接后加工兩端圓弧比較困難，后來施工時改為用線切割加工兩端圓弧，組裝焊接后只加工底平面，兩端圓弧最后由鉗工修磨光滑過渡即可。滾子的外形，為避免出現(xiàn)接觸應力集中的問題，按軸承滾子設計的要求和相關論文的介紹，采用對數母線的滾子性能最理想，考慮到加工不便，通過對空心滾子的優(yōu)化設計，兩端修磨光滑過渡。

2 滾子與平板接觸的相關理論

2.1 實心滾子

實心滾子與平板接觸的情況，理論上可認為是圓柱體和平面接觸，變形前二者沿一條直線接觸，受壓力F后，接觸處發(fā)生了彈性變形，接觸線變成寬度為2b的矩形面，由赫茲理論公式得:

接觸半寬

接觸應力

式中:E1、E2為材料的彈性模量;v1、v2為材料的泊松比;D為滾子的直徑;L為滾子的有效接觸長度。

2.2 空心滾子

采用空心滾子時，因空心滾子不是半空間體，其與平板接觸的情況不再適用赫茲理論。空心滾子在受力情況下比實心滾子變形增大，選取合適的空心度，可顯著降低接觸應力和等效應力。

3 有限元求解

3.1 相關參數設定

選取網格單元邊長必須小于接觸半寬b的50%，才可在有限元計算中取得滿意的效果，否則有限元計算精度太低，無法得到有意義的結果。

實際選取單個滾子直徑65mm，內孔24mm，有效接觸長度116mm。根據實心滾子的相關公式，計算得到的滾子接觸半寬b為0.58mm，接觸應力為1020MPa，根據計算得到的接觸半寬b，這里選取網格單元軸向邊長為0.4mm，寬度方向邊長＜0.25mm。

考慮到在網格單元邊長很小的情況下，網格數量急劇增加，給計算工作帶來較大的困難，建立模型時只取單個滾子的1/4，網格模型由342002個節(jié)點組成，有204288個單元。在模型的剖分處施加對稱約束，對底板施加固定約束，對耐磨板施加均布載荷。載荷包括了滾子和耐磨板的自重、提升裝置工作過程中通過耐磨板給滾子施加的壓力。

3.2 計算結果

選用適合的滾子和耐磨板的材料，保證等效應力和表面接觸應力均有一定的安全裕度，滾輪部件的使用應是安全可靠的。計算結果為滾子的最大接觸應力為905MPa，等效應力為468MPa，耐磨板的等效應力為508MPa。

4 結束語

實際使用過程中，采用良好的潤滑措施，滾輪裝置工作過程未發(fā)現(xiàn)異常，順利完成單點系泊裝置的提升和下降操作，確保了回轉大軸承的順利換新。使用后檢查滾子和相應的接觸面，未發(fā)現(xiàn)有嚴重變形和磨損的情況，證明設計是可行的。