王子賢 彭 奇 夏 冰 陸忠華

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

隨著海洋工程和超大型深水吊裝工程行業(yè)的發(fā)展，海洋工程裝備領(lǐng)域的全回轉(zhuǎn)打樁機(jī)、大型浮吊、超大型深水絞車等裝備對(duì)驅(qū)動(dòng)絞車的需求向著大拉力、大容繩量的方向發(fā)展。傳統(tǒng)常規(guī)形式的單殼體卷筒受到目前材料和制作能力等限制，制作難度越來越高，需要一種從受力方式和結(jié)構(gòu)形式上作出改變的全新的卷筒設(shè)計(jì)形式，從而滿足未來起重行業(yè)的需求。

2 大拉力、大容繩量絞車的類型

海洋工程應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)絞車主要特點(diǎn)是：驅(qū)動(dòng)拉力大、鋼絲繩容繩量大。常規(guī)的單層螺旋槽形式卷筒由于空間和體積的限制，基本不能滿足其要求。目前此類驅(qū)動(dòng)絞車一般都采用多層卷繞卷筒形式。根據(jù)排繩機(jī)理可以分為排繩器形式絞車和Lebus折線卷筒形式絞車。

2.1 排繩器形式絞車

對(duì)排繩質(zhì)量要求不高的門座起重機(jī)、錨絞車等普遍采用排繩器形式絞車，其經(jīng)典結(jié)構(gòu)形式見圖1。

1.電機(jī) 2.減速箱 3.卷筒 4.排繩器圖1 排繩器形式絞車

這種形式的絞車排繩方式為：卷筒運(yùn)動(dòng)信息通過鏈條傳遞到排繩器上，排繩器內(nèi)部的蝸桿機(jī)構(gòu)將排繩器橫向運(yùn)動(dòng)速度和卷筒轉(zhuǎn)速相配合，從而實(shí)現(xiàn)排繩器機(jī)械排繩。由于鋼絲繩往復(fù)過程中，相鄰層的旋向相反，使鋼絲繩在卷筒上一直處于斜線交叉的不穩(wěn)定狀態(tài)，排繩效果不佳。即便排繩外觀看起來很整齊，也會(huì)因?yàn)殇摻z繩相互嚴(yán)重?cái)D壓，容易出現(xiàn)鋼絲繩斷絲斷股等損傷。

2.2 Lebus折線卷筒形式絞車

Lebus折線卷筒形式絞車應(yīng)用于對(duì)排繩穩(wěn)定性要求較高的大型全回轉(zhuǎn)打樁機(jī)、大型浮吊、超深海絞車等領(lǐng)域，其經(jīng)典結(jié)構(gòu)形式見圖2。

1.電機(jī) 2.減速箱 3.卷筒 4.Lebus折線卷筒皮圖2 Lebus折線卷筒絞車

Lebus折線卷筒鋼絲繩卷繞1圈分為直線段和折線段兩部分。直線段范圍內(nèi)有繩槽固定穩(wěn)定排繩，折線段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)鋼絲繩節(jié)距相位變化。通過穩(wěn)定排繩的直線段兩端拉緊折線交叉段，從而實(shí)現(xiàn)鋼絲繩在整個(gè)卷筒上的穩(wěn)定排繩。因此Lebus折線卷筒能較好地解決多層卷繞卷筒排繩問題。相對(duì)于機(jī)械排繩裝置Lebus折線卷筒不需要輔助的機(jī)械裝置，僅依靠自身形狀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排繩，有免維護(hù)、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。

3 絞車卷筒的強(qiáng)度計(jì)算

鋼絲繩在卷筒上卷繞時(shí)，由于卷筒傳遞扭矩在筒壁上受到的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力較小，計(jì)算筒壁強(qiáng)度時(shí)可不予考慮；卷筒的主要受力為鋼絲繩拉力箍在卷筒的外壁上的箍緊力。箍緊力由外至內(nèi)箍緊卷筒，形成卷筒壁厚截面上的壓縮應(yīng)力[1](見圖3)。

圖3 卷筒受力示意

第2層以上的鋼絲繩箍緊力都是通過下層繩圈傳遞到卷筒筒壁上。假設(shè)已纏繞的繩圈張力保持不變，則每層鋼絲繩的箍緊力引起的卷筒筒壁壓應(yīng)力應(yīng)該相同。然而實(shí)際上多層纏繞時(shí)，隨著纏繞繩圈的增多，底層與卷筒壁貼近的鋼絲繩由于卷筒的附加變形而產(chǎn)生松弛，繩圈纏繞直徑也隨卷筒變小。由此可知鋼絲繩卷繞過程中由內(nèi)繩圈到外繩圈，松弛效應(yīng)層層向外傳遞。隨著后繞上的鋼絲繩的增加，已纏繞繩圈的松弛效應(yīng)也增加，因此每層繩傳遞到卷筒壁的實(shí)際箍緊力都比鋼絲繩箍緊力直接疊加要小。

除卷筒變形外，引起鋼絲繩箍緊力向下層傳遞逐層減小的原因，還有鋼絲繩的橫向變形導(dǎo)致中心直徑減小，進(jìn)而導(dǎo)致鋼絲繩圈變形減少，從而使傳遞到卷筒壁的箍緊力進(jìn)一步減小。鋼絲繩卷繞層數(shù)增加時(shí)，卷筒壓應(yīng)力增加幅度逐漸減小(見圖4)。

圖4 卷筒壁壓應(yīng)力與卷繞層數(shù)關(guān)系

除去上述因素，多層卷繞鋼絲繩箍緊力最終傳遞到卷筒壁的數(shù)值還與鋼絲繩彈性模量、卷筒結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，影響因素比較復(fù)雜，所以國內(nèi)外工程領(lǐng)域?qū)⒍鄬泳硗彩芰ΟB加因素簡(jiǎn)化為應(yīng)力減少系數(shù)[2]，使卷筒壁強(qiáng)度計(jì)算簡(jiǎn)單化。

3.1 多層卷筒國內(nèi)計(jì)算方法

鋼絲繩受拉力作用與卷筒外壁接觸，同時(shí)產(chǎn)生壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，主要受力為鋼絲繩向下壓縮產(chǎn)生的應(yīng)力，卷筒壁的最大應(yīng)力出現(xiàn)在卷筒內(nèi)表面的壓應(yīng)力，壓應(yīng)力σc按如下公式計(jì)算[3]：

(1)

式中，σc為卷筒壁壓應(yīng)力，MPa；Smax為鋼絲繩最大靜拉力，N；δ為卷筒壁厚，mm；p為繩槽節(jié)距，mm；A1為應(yīng)力減少系數(shù)，在繩圈拉力作用下，筒壁產(chǎn)生彈性變形，使繩圈緊度降低，鋼絲繩拉力減小，一般取A1=0.75；A2為多層卷繞系數(shù)，見表1；[σc] 為卷筒壁許用壓應(yīng)力，MPa，對(duì)于鋼[σc]=σs/2。

表1 多層卷繞系數(shù)

由公式(1)反推得到符合強(qiáng)度需求的卷筒壁厚計(jì)算公式為：

(2)

3.2 多層卷筒國外計(jì)算方法

國外卷筒常用的方法為DNV規(guī)范卷筒強(qiáng)度計(jì)算方式，計(jì)算公式為：

(3)

式中，σh為卷筒壁壓應(yīng)力，MPa;S為鋼絲繩最大靜拉力，N;tav為卷筒平均壁厚，mm;p為繩槽節(jié)距，mm;C為應(yīng)力系數(shù)，取值為1.0(1層)、1.75(大于等于2層)；[σh]為許用卷筒壁壓應(yīng)力，MPa。

由公式(3)反推得到符合強(qiáng)度需求的卷筒壁厚計(jì)算公式為：

(4)

4 雙層復(fù)合材料卷筒對(duì)比計(jì)算

分析式(2)、(4)可知，影響卷筒壁厚因素為：①材料，在材料一定的情況下材料的許用應(yīng)力確定；②卷筒特性，卷筒層數(shù)和繩徑特性確定的情況下，卷筒節(jié)距p和應(yīng)力系數(shù)A1A2(C)確定；③卷筒受力，卷筒壁厚隨著受力S增大而增大。鑒于目前行業(yè)對(duì)絞車?yán)Φ男枨笤絹碓酱?，卷筒壁厚也隨之增大。受基礎(chǔ)工業(yè)能力的限制，對(duì)應(yīng)的厚板折卷能力到達(dá)了瓶頸。

于是提出一種新的卷筒形式，將按式(2)、(4)計(jì)算出來需要的卷筒壁厚分為兩層結(jié)構(gòu)，兩層卷筒殼體之間采用流體微膨脹材料填充其中(見圖5)。材料凝固后，密切接觸使外層殼體在受力變形后能將應(yīng)力傳遞給內(nèi)層殼體。受力僅計(jì)算內(nèi)外兩層殼體，中間傳力層僅起傳力作用。

1.外層殼體 2.傳力層 3.內(nèi)層殼體 4.法蘭板圖5 雙層復(fù)合材料卷筒結(jié)構(gòu)

雙層復(fù)合材料卷筒壁厚為：

(5)

式中，n=2，為卷筒殼體層數(shù)；其余系數(shù)同公式(3)。

5 算例及模型應(yīng)力分析

根據(jù)上述分析，以國內(nèi)某臺(tái)5 000 t浮吊變幅絞車為例進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論計(jì)算采用DNV規(guī)范的計(jì)算方式，絞車相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 算例絞車參數(shù)

按傳統(tǒng)單層殼體卷筒設(shè)計(jì)方案時(shí)，卷筒設(shè)計(jì)壁厚如式(6)所示，為88.6 mm，圓整后取90 mm。

=88.6 mm

(6)

式中，[σh]=0.85σc=380×0.85=323 MPa(根據(jù)DNV規(guī)范)。

鋼絲繩引起卷筒彎曲應(yīng)力為：

=4.72 MPa

(7)

鋼絲繩引起扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為：

=8.07 MPa

(8)

根據(jù)第三強(qiáng)度理論，式(7)、(8)中外載鋼絲繩引起卷筒彎曲和扭轉(zhuǎn)剪切的復(fù)合應(yīng)力為：

(9)

由于外載鋼絲繩引起卷筒彎曲和扭轉(zhuǎn)剪切的復(fù)合應(yīng)力在卷筒壁壓應(yīng)力的占比僅為σt/[σh]=15/323=0.046，故在如下雙層復(fù)合材料卷筒應(yīng)力對(duì)比中，為了簡(jiǎn)化對(duì)比過程，僅考慮鋼絲繩在卷筒上卷繞引起的壓應(yīng)力，彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力不考慮。

設(shè)計(jì)為雙層復(fù)合材料卷筒時(shí)，卷筒壁厚為:

t≥tav/n=88.6/2=44.3 mm

(10)

為了檢驗(yàn)上述理論計(jì)算中兩種卷筒設(shè)計(jì)的真實(shí)應(yīng)力分布狀況，使用有限元分析軟件對(duì)上述兩種設(shè)計(jì)方案分別建立有限元模型進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算和分析，進(jìn)而對(duì)兩種設(shè)計(jì)方案的有限元應(yīng)力結(jié)果和理論計(jì)算許用應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比。

有限元采用三維實(shí)體單元建立計(jì)算模型，由于理論計(jì)算只計(jì)算卷筒中殼體部分的受力情況，所以模型中僅建立卷筒殼體模型，不包含法蘭板部分。雙層復(fù)合材料卷筒方案模型中，由于中間傳力層處于3向受壓狀態(tài)，不會(huì)壓潰，僅考慮其傳力作用，模型采用多片結(jié)構(gòu)形式。計(jì)算時(shí)在與卷筒殼體斷面相連筒體處施加X、Y和Z3個(gè)方向的平動(dòng)約束[4]；加載在模型上的載荷為根據(jù)式(3)換算的等效載荷，數(shù)值大小為2CS(按整圈計(jì)算)。

按算例中計(jì)算出的單殼體卷筒壁厚建模，分析獲得模型應(yīng)力最大值為332 MPa,比理論計(jì)算式(6)中采用的許用應(yīng)力323 MPa值略高?？紤]到有限元計(jì)算模型會(huì)有一定應(yīng)力集中，有限元模型應(yīng)力和理論公式計(jì)算可以認(rèn)為是吻合的。

按算例中計(jì)算出的雙層復(fù)合材料卷筒壁厚建立模型，模型中最大應(yīng)力為286 MPa，比許用應(yīng)力323 MPa低，更安全。模型應(yīng)力比理論計(jì)算應(yīng)力低是因?yàn)樵O(shè)計(jì)理念上兩層卷筒殼體之間的傳力層只傳遞載荷，并不需要承受壓應(yīng)力載荷；實(shí)際模型中間傳力層采用混凝土材質(zhì)，模型傳力層有一定的剛性，還是承受了部分載荷，故而模型顯示應(yīng)力比許用應(yīng)力低。理論計(jì)算中采用僅考慮傳力作用的計(jì)算方式更加安全。

6 結(jié)語

隨著超大型起重行業(yè)的發(fā)展，對(duì)起重絞車的牽引力和容繩量要求都越來越大，從而提出了雙層復(fù)合材料卷筒的設(shè)計(jì)理念，改變了傳統(tǒng)卷筒為了滿足牽引力和容繩量，只能簡(jiǎn)單增加卷筒壁厚的設(shè)計(jì)方式。從結(jié)構(gòu)形式入手：將卷筒結(jié)構(gòu)形式方面由傳統(tǒng)的單層殼體結(jié)構(gòu)卷筒革新為雙層殼體結(jié)構(gòu)卷筒，內(nèi)外2層結(jié)構(gòu)之間通過微膨脹材料傳力。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了卷筒殼體壁厚減半的效果，降低制作難度，滿足浮吊、打樁機(jī)等工程領(lǐng)域的需求，同時(shí)也可為類似受力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供借鑒。