馮經(jīng)明
(特瑞堡密封系統(tǒng)(中國)有限公司,上海201108)
自動系泊系統(tǒng)在國外已經(jīng)使用多年,目前一些公司生產(chǎn)的自動系泊系統(tǒng)采用真空技術(shù)快速連接并固定泊位上的船舶,適用于各種環(huán)境和泊位條件。在這種自動系泊系統(tǒng)單元中,作為重要運(yùn)動部件的真空吸頭,要求能在承受大的沖擊載荷的同時(shí),迅速調(diào)整運(yùn)動姿態(tài),適應(yīng)系泊的需要。
在以往的系泊系統(tǒng)中這些位置使用的是金屬軸承,但在港口碼頭潮濕空氣的環(huán)境中,金屬軸承容易腐蝕,而且它們工作時(shí)需要定期潤滑,維護(hù)成本高。
采用本公司復(fù)合材料制成的軸承不但能減輕系統(tǒng)的重量,而且該材料具有耐磨性好、強(qiáng)度高、自潤滑等性能,非常適合應(yīng)用于自動系泊系統(tǒng)所在的海洋工程領(lǐng)域。
圖1 自動系泊系統(tǒng)單元的一般構(gòu)成
海洋工業(yè)正處于一個(gè)不斷變化的時(shí)期,港口碼頭的設(shè)施也必須適應(yīng)越來越苛刻的工作環(huán)境,優(yōu)化泊位利用率,降低資源、空間占用及系泊所需時(shí)間,同時(shí)增加靠泊能力。在使用傳統(tǒng)的系泊繩時(shí),操作員可能會需要中斷操作,花費(fèi)時(shí)間和金錢在延遲轉(zhuǎn)移的工作上。
依靠先進(jìn)技術(shù),例如自動系泊,可以提高港口程序的安全性,并減少停泊期間人員參與操作的時(shí)間。
總之,自動化系泊已經(jīng)在優(yōu)化船只方面發(fā)揮重要作用。一些技術(shù)領(lǐng)先的公司生產(chǎn)的自動化系泊系統(tǒng),能使用實(shí)時(shí)信息監(jiān)控軟件來不斷追蹤所有系泊負(fù)載,能夠在1 min內(nèi)安全停泊船只,當(dāng)其系泊的船只需要出發(fā)時(shí),又能在30 s內(nèi)釋放船只。此類系統(tǒng)適用于各種環(huán)境和靠泊條件。
通常自動系泊系統(tǒng)單元由5個(gè)部分組成,即水平基座、支柱、導(dǎo)向臂、真空吸盤、電氣驅(qū)動及控制系統(tǒng),如圖1所示。水平基座用螺栓固定在碼頭上,支柱可以通過阻尼缸的運(yùn)動使之在水平基座上旋轉(zhuǎn);通過支柱的旋轉(zhuǎn)、導(dǎo)向臂的直線運(yùn)動,和裝在真空吸盤上傳感器的實(shí)時(shí)檢測,真空吸盤能實(shí)現(xiàn)上下、左右及前后運(yùn)動以及這三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,從而迅速調(diào)整姿態(tài),準(zhǔn)確地與船體緊密接觸。一個(gè)真空吸盤對靠泊船體可產(chǎn)生20 t的吸附力;當(dāng)對系統(tǒng)發(fā)出停止工作的指令時(shí),真空吸盤就與船體脫離,從而使船只能夠快速地離泊出港。
輕量化、低摩擦和長壽命是海洋工程等工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品的市場趨勢,因此復(fù)合材料也越來越廣泛地使用在海洋工程領(lǐng)域中。
本案例中軸承使用的復(fù)合材料是由纖維增強(qiáng)材料與樹脂組合而成。眾所周知,纖維增強(qiáng)材料重量輕、振動阻尼大、耐腐蝕、抗沖擊;樹脂材料成本較低,并且使用方便。纖維增強(qiáng)材料旨在抵擋作用在層合板上的荷載;在壓縮加載情況下,樹脂用來為平面內(nèi)載荷“加固”纖維樹,并對平面外載荷通過直接壓縮傳遞載荷[1]。
該復(fù)合材料是一種特殊的熱固性材料,按照配方在樹脂制造過程中添加了一定量的PTFE和二硫化鉬潤滑劑,該材料既適用于有水或其他介質(zhì)潤滑的場合,也適用于干運(yùn)行的環(huán)境。這是因?yàn)镻TFE潤滑劑能減少摩擦和磨損的程度;二硫化鉬在鋼摩擦副表面能形成干潤滑膜,改善摩擦和磨損性能[2]。
該復(fù)合材料具有良好的機(jī)械和物化性能。它的比重小,密度為1.25 g/cm3;承載能力大,壓縮彈性模量達(dá)到2 800 MPa,極限壓縮強(qiáng)度超過300 MPa,如圖2所示,沖擊強(qiáng)度達(dá)120 kJ/m2;摩擦系數(shù)低,磨損量比金屬軸承材料小,如表1所示;能在-150~130℃的溫度范圍內(nèi)使用,耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕能力強(qiáng)(比如海水、硫酸等),尺寸穩(wěn)定(在水中浸一年后的膨脹率低于0.1%)等。
按照ISO 604標(biāo)準(zhǔn)對該復(fù)合材料的試樣進(jìn)行壓縮強(qiáng)度試驗(yàn),得到圖2所示曲線。由圖可以看出,當(dāng)材料變形量小于5%時(shí),該材料遵循胡克定律,設(shè)計(jì)軸承時(shí)也是使其形變在5%的范圍內(nèi)。
同時(shí),將該復(fù)合材料與鑄造銅合金進(jìn)行摩擦力和磨損對比試驗(yàn),如表1所示,試驗(yàn)表明,在相同條件下,該復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和耐磨性遠(yuǎn)優(yōu)于鑄造銅合金;同時(shí)也表明,該復(fù)合材料在低速重載場合優(yōu)勢更明顯。
圖2 該復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度
表1 該復(fù)合材料與鑄造銅合金的對比試
圖3 一對球軸承(外軸承還沒有切半)
由該復(fù)合材料制成的直筒型軸承和球軸承,用在某客戶公司的自動系泊系統(tǒng)單元中,其中直筒型軸承用在導(dǎo)向臂中,一對球軸承用在導(dǎo)向臂與真空吸盤的連接處,以實(shí)現(xiàn)真空吸盤的多個(gè)自由度運(yùn)動。在此,由于球軸承設(shè)計(jì)過程比直筒型軸承復(fù)雜,故僅闡述球軸承的設(shè)計(jì)過程。
導(dǎo)向臂與真空吸盤連接處的軸承座孔尺寸為φ210H7,金屬桿的直徑為φ150h8,需要的球軸承的軸向長度為86 mm。球軸承需要承受的工作壓力達(dá)到600 kN,工作溫度是-20~+60℃,最大速度為1 m/min,無介質(zhì)潤滑。軸承座孔和金屬桿均為某合金鋼,表面粗糙度為Ra0.4~Ra0.8。根據(jù)已知的工作條件,設(shè)計(jì)一對由該復(fù)合材料制成的球軸承,它由內(nèi)、外軸承組成,如圖3所示。
其中,內(nèi)軸承與金屬桿過盈配合,由于金屬桿的直徑是150 mm,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取過盈量δ=0.3 mm,內(nèi)軸承與外軸承的間隙值取0.8 mm。外軸承經(jīng)厚度為4 mm的鋸片切半后,再以機(jī)械方式固定在軸承座孔中。設(shè)計(jì)的球軸承的內(nèi)軸承和外軸承如圖4和圖5所示。
對于該復(fù)合材料軸承的安裝,一般有四種方式。
第一種是采用液氮冷凍安裝,它適合安裝外徑在250 mm以上的軸承。
第二種是采用粘結(jié)劑粘結(jié)安裝,一般而言,當(dāng)工作溫度超過60℃時(shí)才采用此方式。
圖5 球軸承的外軸承設(shè)計(jì)圖
第三種是在常溫下利用液壓工具或工裝沿軸向方向進(jìn)行壓裝,這適用于過盈量不大的情況。
第四種是采用螺栓等進(jìn)行機(jī)械固定安裝,軸承壁比較厚時(shí)可采用此方式。
安裝球軸承的內(nèi)軸承時(shí),內(nèi)軸承與金屬桿是過盈配合,因此可對金屬桿進(jìn)行液氮冷凍后,再把內(nèi)軸承裝在金屬桿上。但也可以采用第三種方式進(jìn)行壓裝,這時(shí)需要比較準(zhǔn)確地計(jì)算出加在該復(fù)合材料軸承上的軸向壓裝力,否則容易損壞該軸承。根據(jù)多年的安裝經(jīng)驗(yàn),壓裝力可以結(jié)合下面兩個(gè)公式計(jì)算出來[2]:
圖4 球軸承的內(nèi)軸承設(shè)計(jì)圖
式中,p為過盈配合面的界面壓力;d為名義過盈直徑;δ為內(nèi)軸承內(nèi)徑與金屬桿的過盈量;vo、vi分別為球軸承和金屬桿的泊松比;Eo、Ei分別為球軸承和金屬桿的壓縮彈性模量;di為金屬桿的內(nèi)孔直徑(如果有);do為內(nèi)軸承的外輪廓有效直徑;L為內(nèi)軸承的軸向長度;μ為內(nèi)軸承和金屬桿配合面的摩擦系數(shù)。
對于本案例,Eo=210 GPa,Ei=2 800 MPa,由于Eo遠(yuǎn)大于Ei,所以公式(1)可以簡化為公式(3):
根據(jù)金屬桿的直徑φ150h8,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)可取δ=0.3 mm,把d=150 mm,vo=0.3,do=(175.7+195.6)/2=185.7 mm,代入公式(3),可以得到p=1.11 MPa,借助類似該工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,取μ=0.11~0.12,將p=1.11 MPa,L=86 mm代入公式(2),可以得到F=4.9~5.4 kN。
在安裝內(nèi)軸承前,采用FEA軟件對內(nèi)軸承進(jìn)行安裝前后的應(yīng)力分析,結(jié)果表明選取的過盈量δ=0.3 mm給內(nèi)軸承帶來的內(nèi)應(yīng)力不大;而且FEA軟件輸出的壓裝力F與公式(2)計(jì)算的壓裝力很接近,如圖6所示,驗(yàn)證了上述設(shè)計(jì)是合理的。
圖6 用FEA軟件對內(nèi)軸承安裝后的應(yīng)力分析
該自動系泊系統(tǒng)在完成本體建造工作后,需要對其進(jìn)行各種試驗(yàn)。首先在自動系泊系統(tǒng)出廠前需要對每一個(gè)系泊系統(tǒng)單元進(jìn)行連續(xù)兩個(gè)月的載荷試驗(yàn),該載荷試驗(yàn)在專門設(shè)計(jì)的臺架上進(jìn)行,如圖7所示,載荷大小和流程按照需要入級的船級社標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。
載荷試驗(yàn)是一個(gè)非常重要的試驗(yàn),它能檢查所使用的復(fù)合材料軸承和其他零部件能否承受長時(shí)間工作載荷。在連續(xù)兩個(gè)月的載荷試驗(yàn)后,試驗(yàn)結(jié)果表明該復(fù)合材料軸承滿足試驗(yàn)要求。
圖7 系泊系統(tǒng)單元的載荷試驗(yàn)
在載荷試驗(yàn)合格后,對每個(gè)單元進(jìn)行功能性控制系統(tǒng)試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)等其他試驗(yàn),再進(jìn)行自動系泊系統(tǒng)的聯(lián)動試驗(yàn)。最后在港口碼頭安裝好該自動系泊系統(tǒng)后,進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)。這些試驗(yàn)前后持續(xù)了一年時(shí)間,最終試驗(yàn)表明,整個(gè)自動系泊系統(tǒng)通過了驗(yàn)收。
為了適應(yīng)輕量化、低摩擦和長壽命的市場趨勢,在自動系泊系統(tǒng)的重要部件中采用復(fù)合材料軸承替換以往使用的金屬襯套,試驗(yàn)表明它是可行的,能更好地滿足系統(tǒng)的功能需要,同時(shí)延長系統(tǒng)的使用壽命。當(dāng)然,它也可以逐步應(yīng)用到海洋工程的其他設(shè)備中去。
[1]ASSOCIATES E G.船復(fù)合材料[M].2版.趙成璧,唐友宏,譯.上海:上海交通大學(xué)出版社,2013.
[2]VAN BEEK A.Advanced Engineering Design: Lifetime Performance And Reliability[M].Delft:TU Delft,2015.