李文釗

（神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司，河北 滄州 061113）

0 引 言

港作拖船一般配備有1臺或2臺錨絞機，用于協(xié)助大型貨船完成靠離泊和拖航作業(yè)。錨絞機的卷筒及其制動機構(gòu)是重要的承載部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性對于保障錨絞機和拖船安全運行而言極為關(guān)鍵[1]。某港作拖船錨絞機在實際工作中經(jīng)常出現(xiàn)卷筒躥軸和制動轂擋板變形故障，導(dǎo)致主軸、軸瓦異常磨損和制動帶無法與制動轂完全貼合，進而使制動力下降。本文采用NX軟件對發(fā)生故障的某港作拖船錨絞機的卷筒及其制動機構(gòu)進行三維裝配建模，利用軟件自帶的前/后處理模塊對倒拖和支持載荷工況進行有限元計算，分析故障發(fā)生的原因。

1 設(shè)備基本組成及工況

某港作拖船的錨絞機的主要結(jié)構(gòu)包括卷筒、制動片、制動抱帶、銷軸、制動油缸、驅(qū)動馬達、離合器、錨鏈輪、絞盤和基座，其中卷筒由卷筒體、卷筒擋板和制動轂組成（見圖1）。制動轂兩側(cè)設(shè)有凸臺，防止制動片發(fā)生軸向移動。制動片和制動抱帶分為上段和下段2部分，其中制動抱帶的上段和下段由銷軸連接。錨絞機卷筒的容繩量為150m的φ110mm拖纜，制動片、制動抱帶及其銷軸組成其制動機構(gòu)。

2 三維模型建立

本文在對研究對象進行建模和有限元分析時均選擇使用NX軟件，NX集CAD（Computer Aided Design）和CAE（Computer Aided Engineering）功能于一身，可在建模后直接完成前/后處理，快速完成分析；同步建模功能非常方便模型調(diào)整，且網(wǎng)格等信息同步更新。

2.1 三維裝配模型

對某港作拖船錨絞機建立卷筒及其制動機構(gòu)的三維裝配模型，包括卷筒、制動片、制動抱帶和銷軸。2個卷筒擋板的外側(cè)分別均勻布置6塊肋板。卷筒制動轂兩側(cè)設(shè)有環(huán)形凸臺，截面為10mm×10mm的矩形。制動抱帶和制動片上均勻布置有銅制螺釘，為減少計算量而將其忽略不計。在NX軟件中分別對四部件建立模型，并在裝配模塊中約束相對位置關(guān)系（見圖2）。

2.2 材料屬性和網(wǎng)格劃分

卷筒采用的鋼材為SS400，制動抱帶和銷軸采用的鋼材為Q345，制動片采用的材料為無石棉有機摩擦材料。查閱相關(guān)資料確定卷筒及其制動機構(gòu)所采用材料的屬性見表1。

表1 卷筒及其制動機構(gòu)所采用材料的屬性

對各部件指派材料之后，劃分各實體網(wǎng)格。綜合考慮計算的準確度和計算量，采用3D四面體網(wǎng)格。為保證網(wǎng)格質(zhì)量，單獨對制動轂凸臺進行處理，并通過添加網(wǎng)格控件來對銷孔進行細化。利用軟件自帶的網(wǎng)格檢查工具檢查單元質(zhì)量，結(jié)果顯示無失敗單元。網(wǎng)格劃分完成之后，卷筒模型單元數(shù)為12380個，節(jié)點數(shù)為25061個；制動片模型單元數(shù)為2734個，節(jié)點數(shù)為6226個；制動抱帶單元數(shù)為4577個；節(jié)點數(shù)為10249個，銷軸單元數(shù)為685個，節(jié)點數(shù)為1360個（見圖3和圖4）。

圖3 卷筒模型的網(wǎng)格劃分

圖4 制動機構(gòu)模型的網(wǎng)格劃分

3 有限元計算

3.1 仿真類型和約束

采用裝配體進行有限元計算分析。制動片與制動抱帶之間通過銅制螺釘固定，相對位移可忽略，接觸面的接觸類型設(shè)置為“面-面粘連”；銷軸與兩制動抱帶耳板銷孔之間的接觸類型設(shè)置為“面-面粘連”；制動轂與凸臺下表面之間的接觸類型設(shè)置為“面-面粘連”；其余接觸面的接觸類型均設(shè)置為“面-面接觸”。

在卷筒兩端軸孔處設(shè)置圓柱形約束，其中徑向自由度設(shè)為“固定”，其余設(shè)為“自由”。在制動抱帶上段的自由端設(shè)置銷軸約束。

3.2 載荷計算和施加

港作拖船錨絞機一般有2種典型工況。

1) 工況一，倒拖載荷是拖船協(xié)助貨船離泊，錨絞機卷筒制動之后通過纜繩將滿載貨船倒拖離開泊位時的負載。

2) 工況二，支持載荷是錨絞機卷筒制動之后在纜繩拉力達到破斷力時的負載。

在工況一下，纜繩的拉力為600kN（第一層纜）；在工況二下，纜繩的拉力為1176kN（第一層纜）。

在2種工況中：外力是作用在卷筒上的纜繩拉力，而具體到制動機構(gòu)，需利用制動力來平衡外力；制動力是通過操作制動油缸收緊制動抱帶，使制動片與卷筒制動轂接觸而產(chǎn)生的。根據(jù)撓性摩擦理論，制動力的大小等于制動抱帶緊邊F1與松邊F2的差值。纜繩作用在卷筒上的力主要表現(xiàn)為對卷筒體表面的壓力，需關(guān)注是卷筒體的強度和變形，纜繩在不同圈數(shù)上遵從一定的衰減規(guī)律。

根據(jù)撓性摩擦理論可求出制動抱帶兩端的拉力F1和F2，從而確定制動抱帶下段耳板銷孔的拉力[2]，即

式(1)和式(2)中：F1為緊邊拉力；F2為松邊拉力；μ為摩擦因數(shù)，取0.35；φ為制動帶包角，取327°；p為制動力（即纜繩拉力）。模型中卷筒的直徑為700mm，制動抱帶的直徑為2150mm。2種工況下卷筒及其制動機構(gòu)的載荷計算結(jié)果見表2。

表2 2種工況下卷筒及其制動機構(gòu)的載荷計算結(jié)果 單位：kN

研究制動轂及其所在擋板的受力情況，由于卷筒與卷筒擋板是一體的，卷筒的變形情況對擋板有一定的影響?？紤]卷筒纜繩拉力對制動轂所在擋板影響最大的情況，即當(dāng)?shù)谝粚永|繩出繩端緊鄰制動轂所在擋板一側(cè)時，選取纜繩纏繞4圈，忽略其余圈數(shù)的影響。當(dāng)纜繩拉力作用在卷筒表面時，不同圈在卷筒表面產(chǎn)生的應(yīng)力不同。第一層纜繩的衰減規(guī)律[3]可表示為

式(3)和式(4)中：σ為應(yīng)力；μ1為摩擦因數(shù)，取0.15；smax為出繩端纜繩拉力；n為纜繩圈數(shù)；D為卷筒直徑；d為纜繩直徑，取110mm。2種工況下不同圈數(shù)纜繩的載荷計算結(jié)果見表3。

表3 2種工況下不同圈數(shù)纜繩的應(yīng)力載荷計算結(jié)果 單位：MPa

2種工況下的載荷類型和載荷施加位置相同，只是數(shù)值有差別。在施加載荷時，對制動抱帶下段耳板銷孔面施加軸承力，方向為制動抱帶的切向。為方便施加載荷，對卷筒模型外表面進行分割，從制動轂一側(cè)開始，逐圈施加壓力載荷，施加載荷之后的模型見圖5。

圖5 施加載荷之后的模型

4 結(jié)果分析及解決方案

NX軟件中默認的NX Nastran求解器與NX建模模塊無縫集成，適合大多數(shù)結(jié)構(gòu)強度計算。此處采用該求解器對模型的2種工況進行計算。孫凱等[3]和胡甫才等[4]分別對卷筒和帶式制動器的受力情況進行有限元計算，并通過試驗驗證有限元分析方法的準確性。此處采用類似計算方法，計算結(jié)果較為可信。

4.1 結(jié)果分析

經(jīng)計算，2種工況下卷筒及其制動機構(gòu)的應(yīng)力和位移分布規(guī)律相似，各部件的最大位移和最大應(yīng)力計算結(jié)果見表4。以支持載荷工況為例，最大位移和最大應(yīng)力的位置見圖6～圖9。

表4 2種工況下各部件的最大位移和最大應(yīng)力計算結(jié)果

圖6 制動抱帶的位移云圖

圖7 制動抱帶的應(yīng)力云圖

圖8 卷筒的位移云圖

圖9 卷筒的應(yīng)力云圖

對計算結(jié)果進行分析，可得出以下結(jié)論：

1) 卷筒最大應(yīng)力在2種工況下均未超過材料許用應(yīng)力；制動抱帶在倒拖載荷下的最大應(yīng)力滿足材料的要求，但在支持載荷下超過材料許用應(yīng)力，制動抱帶會發(fā)生失效變形，無法將卷筒有效制動。

2) 制動抱帶在整個圓周方向受力明顯不均，制動抱帶下段的應(yīng)力明顯大于上段，在反復(fù)制動時更易疲勞損壞。同時，長期運轉(zhuǎn)會造成制動片的磨損程度不一，制動力調(diào)整難度增大。

3) 制動抱帶的載荷通過耳板銷軸傳遞，由于耳板處銷孔的接觸面積較小，加上工作時的轉(zhuǎn)動磨損，更易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4) 制動轂及其所在卷筒擋板的變形位置可以印證制動抱帶的變形規(guī)律。卷筒的應(yīng)力主要集中在筒體表面和制動轂所在卷筒擋板根部且位移量較小，而制動抱帶的作用力是造成制動轂變形的主要因素。制動轂所在卷筒擋板的肋板根部與支撐環(huán)不完全接觸，會造成應(yīng)力集中。

5) 卷筒整體向制動轂一側(cè)產(chǎn)生位移，這與實際設(shè)備使用過程中出現(xiàn)的躥軸現(xiàn)象吻合。

4.2 解決方案

1) 在實際工作中，設(shè)備往往只在倒拖工況下運行，因此可通過制動液壓缸行程，適當(dāng)降低制動力，從而減小制動轂的應(yīng)力和位移。同時，設(shè)置卷筒輔助制動設(shè)施，滿足支持負載工況下的應(yīng)急制動需求。

2) 日常檢查保養(yǎng)的重點是對制動抱帶耳板和銷孔的狀況進行察看，發(fā)現(xiàn)缺陷時及時更換。

3) 在基座上的適當(dāng)位置處設(shè)置限位裝置，限制卷筒向制動抱帶一側(cè)的軸向位移。

4) 針對制動轂變形量較大的問題，可在制動轂與擋板連接處增設(shè)局部肋板加強支撐，同時加大支撐環(huán)與肋板根部的接觸面積，減輕應(yīng)力集中現(xiàn)象，改造之后的卷筒模型見圖10。

圖10 改造之后的卷筒模型

5 結(jié) 語

本文采用NX軟件對發(fā)生故障的某港作拖船錨絞機的卷筒及其制動機構(gòu)進行了有限元計算分析。結(jié)果顯示，在支持負載工況下，制動機構(gòu)會變形失效，軟件分析結(jié)論與實船故障情況基本吻合。此外，針對計算結(jié)果中的危險點提出了解決方案，對港作拖船錨絞機的設(shè)計和使用具有指導(dǎo)意義。