李文釗,韓俊月

(國(guó)能黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司，河北 滄州 061113)

拖船錨絞機(jī)通常安裝在艏甲板上，是輪駁行業(yè)中必不可少的甲板機(jī)械設(shè)備。拖船在拖帶等作業(yè)中，錨絞機(jī)承受較大的沖擊載荷和振動(dòng)，對(duì)穩(wěn)定性和可靠性要求較高[1]。近年來(lái)，黃驊港拖船錨絞機(jī)卷纜裝置常發(fā)生制動(dòng)器打滑、制動(dòng)帶打開(kāi)困難，以及纜繩松脫夾纜等故障，部分原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷引起，為此，有必要分析卷纜裝置的故障原因，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以期降低設(shè)備維護(hù)成本和故障率。

1 卷纜裝置問(wèn)題分析

目前港作拖船的錨絞機(jī)一般為低速重載傳動(dòng)[2]，其主要結(jié)構(gòu)包括卷纜裝置、卷錨裝置、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)站等，其中卷纜裝置由液壓彈簧缸、卷筒體、卷筒擋板，以及帶式制動(dòng)器等組成，見(jiàn)圖1。

圖1 拖船錨絞機(jī)卷纜裝置組成

錨絞機(jī)在頂推貨船作業(yè)中的拖力高達(dá)600 kN以上，卷筒體承受較大彎矩，所以帶式制動(dòng)器和液壓彈簧缸等裝置的可靠性要求較高。該型式卷纜裝置在使用中常出現(xiàn)以下幾種問(wèn)題。

1.1 帶式制動(dòng)器打滑

帶式制動(dòng)器打滑的原因：①儲(chǔ)備制動(dòng)力不足時(shí)，在纜繩繃緊沖擊過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)超額定制動(dòng)力的沖擊載荷；②帶式制動(dòng)器摩擦片在工作中會(huì)浸水的情況，導(dǎo)致額定制動(dòng)力下降；③帶式制動(dòng)器的兩段制動(dòng)帶磨損也會(huì)導(dǎo)致打滑現(xiàn)象發(fā)生。

1.2 傳動(dòng)軸聯(lián)接裝置失效

錨絞機(jī)卷筒的收放纜由液壓馬達(dá)通過(guò)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)，該傳動(dòng)軸分為2段通過(guò)端面鍵加螺栓聯(lián)接，該處受力較大且復(fù)雜多變，包括承載卷筒裝置的重力、纜繩拉力引起的彎矩和轉(zhuǎn)矩與收放纜繩過(guò)程中產(chǎn)生的交變載荷和沖擊載荷等。黃驊港某拖船錨絞機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中多次發(fā)生鍵槽損壞、緊固螺栓斷裂和傳動(dòng)軸斷裂等故障。

1.3 卷筒軸向竄動(dòng)

卷筒采用單側(cè)帶式制動(dòng)結(jié)構(gòu)，會(huì)引起卷筒竄動(dòng)，使傳動(dòng)的軸向應(yīng)力增加。另外，裝設(shè)帶式制動(dòng)器的卷筒輪轂，在液壓彈簧缸的高預(yù)緊力下易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形。

1.4 缺乏安全制動(dòng)

卷纜裝置的制動(dòng)僅靠帶式制動(dòng)器，卷筒在制動(dòng)情況下承受大負(fù)載運(yùn)動(dòng)，缺乏必要的應(yīng)急制動(dòng)裝置，其制動(dòng)器失效會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的其他相關(guān)部件嚴(yán)重?fù)p壞。

1.5 纜繩松脫

纜繩在卷筒上纏繞，其一端系故于卷筒的固定點(diǎn)上，另一端為用于系故貨船纜樁。錨絞機(jī)卷筒兩側(cè)一般設(shè)置較高的擋板，防止纜繩脫出。其中一側(cè)的擋板安裝帶式制動(dòng)器，用于卷筒的制動(dòng)。其松脫原因主要由以下3點(diǎn)。

1)纜繩組成。為了節(jié)省成本和方便系固，纜繩采用大線徑拖纜和小線徑的加強(qiáng)纜插接而成，在二者的聯(lián)接處會(huì)產(chǎn)生較大體積的聯(lián)接塊。由于拖纜重量大于加強(qiáng)纜重量，收纜過(guò)程中，該連接塊極易松垂脫出卡入卷筒擋板與制動(dòng)結(jié)構(gòu)之間的空隙。

2)設(shè)備布置。由于纜繩為柔性體，卷筒在收纜繩時(shí)軸向的排纜均勻度和徑向的排纜緊密度主要依靠駕駛員的觀察和經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制。為了杜絕纜繩斷裂傷人的隱患，纜車附近嚴(yán)禁人員進(jìn)入，而拖船駕駛臺(tái)無(wú)法觀察到卷筒底部纜繩松脫情況，亟需設(shè)置監(jiān)控報(bào)警裝置。

3)低溫等惡劣天氣。纜繩收放時(shí)必然與海水接觸，冬季低溫情況下會(huì)結(jié)冰而柔性較低，嚴(yán)重影響其在卷筒上的排布性能，極易發(fā)生跳動(dòng)脫出的故障。

2 纜繩沖擊載荷計(jì)算

錨絞機(jī)工作時(shí)，卷筒上的纜繩自由端系故在貨船纜樁上，拖船向后航行的同時(shí)卷纜裝置同步放纜，若此時(shí)卷筒轉(zhuǎn)速與拖船航速不一致會(huì)導(dǎo)致纜繩突然繃緊現(xiàn)象，產(chǎn)生較大沖擊力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致帶式制動(dòng)器失效。纜繩的動(dòng)態(tài)張力最大值隨著初始預(yù)張力、彈性模量的增大而增大[3]。拖船拖曳貨船時(shí)，纜繩會(huì)保持一定的預(yù)緊力而減小沖擊。

2.1 纜繩沖擊運(yùn)動(dòng)模型

纜繩突然繃緊過(guò)程的受力較為復(fù)雜，為了方便計(jì)算該運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沖擊力的數(shù)值，在工程上做以下簡(jiǎn)化假設(shè)。

1)假設(shè)纜繩始終處于彈性范圍內(nèi)，且在沖擊過(guò)程中沒(méi)有其他形式的能量轉(zhuǎn)換。

2)纜繩由松弛到繃緊狀態(tài)，拖船航行距離很短，拖船的動(dòng)能損失極小，因此忽略船舶航行阻力的影響。

3)由于貨船重量遠(yuǎn)大于拖船，可假定其沖擊前后二者速度為零。并假設(shè)纜繩處于彈性范圍內(nèi)。

4)由于錨絞機(jī)高度遠(yuǎn)小于拖船長(zhǎng)度且安裝位置貼近水平面，此時(shí)貨船纜繩固定點(diǎn)、錨絞機(jī)纜繩受力點(diǎn)和拖船重心可近似視為在一條直線上且與水面平行，見(jiàn)圖2。

圖2 拖船受力示意

(1)

T=98kD2

(2)

式中：D為纜繩直徑；k為系數(shù)(丙綸長(zhǎng)絲k取值范圍為0.74～0.85)；

2.2 纜繩沖擊力計(jì)算

黃驊港某拖船滿載量為6.04×105kg，卷筒配備纜繩(丙綸長(zhǎng)絲)彈性模量為3.8×109N/m，作業(yè)時(shí)纜繩長(zhǎng)度為75 m。根據(jù)式(2)可得纜繩的破斷力為784 kN，拖曳試驗(yàn)記錄中錨絞機(jī)制動(dòng)機(jī)構(gòu)的支持負(fù)載最大為686.5 kN，取二者較小值。然后，根據(jù)式(1)可得制動(dòng)器抗沖擊能力為拖船航速0～1.6 m/s。計(jì)算結(jié)果顯示，纜繩繃緊產(chǎn)生的沖擊力較大，錨絞機(jī)制動(dòng)力明顯儲(chǔ)備不足。

3 鍵加螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

錨絞機(jī)的額定載荷由機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和液壓馬達(dá)的額定能力共同決定。其傳動(dòng)軸采用分段設(shè)計(jì)，通過(guò)端面鍵聯(lián)接，并在周向用6根螺栓固定，見(jiàn)圖3～4。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)鍵加螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)許用轉(zhuǎn)矩采用設(shè)計(jì)理論校核方法計(jì)算，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和液壓馬達(dá)的額定載荷的匹配性。

圖3 傳動(dòng)軸Ⅰ簡(jiǎn)化模型

圖4 傳動(dòng)軸Ⅱ簡(jiǎn)化模型

3.1 鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩能力計(jì)算

在端面鍵聯(lián)接中，其主要的可能失效形式有鍵的切斷和較弱件工作面被壓潰，需要校核許用剪切應(yīng)力和許用擠壓應(yīng)力。

據(jù)許用剪力核算，鍵聯(lián)接傳遞的許用轉(zhuǎn)矩為

(6)

根據(jù)工作面許用擠壓力核算，鍵聯(lián)接傳遞的許用轉(zhuǎn)矩為

[M]2=D·h·L(1-L/D)2·σpp

(7)

式中：D為軸的直徑；h為鍵的厚度；σpp為許用擠壓應(yīng)力。

鍵材料的許用剪切應(yīng)力和許用擠壓應(yīng)力與聯(lián)接所承受的載荷性質(zhì)有關(guān)，取值見(jiàn)表1。

表1 剪切許用應(yīng)力取值

鍵聯(lián)接傳遞的許用轉(zhuǎn)矩值取上述兩種核算值的較小者，即

[M]j=min([M]1+[M]2)

(8)

3.2 螺栓聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩能力計(jì)算

普通螺栓組傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，摩擦力矩平衡外轉(zhuǎn)矩，螺栓的失效形式為螺栓拉斷和被聯(lián)件的滑移。根據(jù)螺栓不拉斷的強(qiáng)度核算確定最大預(yù)緊力。

最大螺栓預(yù)緊力為

(9)

據(jù)被聯(lián)件不滑移核算，螺栓傳遞許用轉(zhuǎn)矩為

(10)

式中：Qp為螺栓預(yù)緊力；z為螺栓數(shù)量；f為摩擦系數(shù)；Kf為可靠性系數(shù)，取1.1～1.3；ri為螺栓中心到軸中心的距離。

3.3 鍵加螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)許用轉(zhuǎn)矩計(jì)算

從上述推導(dǎo)中得出鍵加螺栓傳遞許用轉(zhuǎn)矩等于鍵聯(lián)接傳遞許用轉(zhuǎn)矩與螺栓傳遞許用轉(zhuǎn)矩之和，即

[M]=[M]j+[M]l

(11)

本例中，端面鍵的長(zhǎng)度L=140 mm，鍵厚度為25 mm。螺栓規(guī)格M22×2.5，性能等級(jí)8.8，預(yù)緊力Qp=94.14 kN。螺栓數(shù)量z=6，中心距軸中心距離ri=70 mm。鋼-鋼表面摩擦系數(shù)f=0.11。根據(jù)式(6)～(11)計(jì)算可得鍵加螺栓聯(lián)接傳遞許用轉(zhuǎn)矩[M]=18.32 kN·m。

錨絞機(jī)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)型號(hào)為MRH-750，額定壓為力20.6 MPa，功率P=89.52 kW，額定轉(zhuǎn)速n=400 r/min，減速比為9.15，根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式T=9 550×P/n，可得額定轉(zhuǎn)矩T=19.56 kN·m。計(jì)算結(jié)果顯示，在未考慮安全系數(shù)的情況下，額定使用轉(zhuǎn)矩已超過(guò)鍵加螺栓聯(lián)接的許用轉(zhuǎn)矩，該設(shè)計(jì)不滿足強(qiáng)度要求。

4 卷纜裝置的改進(jìn)方案及要點(diǎn)

4.1 棘輪式防沖擊卷筒設(shè)計(jì)

為提高卷纜裝置的抗沖擊性能，設(shè)計(jì)一種棘輪式防沖擊卷筒。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，在傳統(tǒng)帶式制動(dòng)器的對(duì)稱側(cè)設(shè)置棘輪式制動(dòng)機(jī)構(gòu)。該裝置既能夠?qū)崿F(xiàn)帶式制動(dòng)器打滑時(shí)逆止保護(hù)功能，既能提高錨絞機(jī)的抗沖擊性能，又能改善卷筒受力不對(duì)稱問(wèn)題，見(jiàn)圖5。

圖5 棘輪式防沖擊卷筒示意

帶式制動(dòng)器采用彈簧力抱死，液壓系統(tǒng)控制打開(kāi)的工作模式，卷筒正反轉(zhuǎn)動(dòng)作前提前打開(kāi)；棘輪制動(dòng)優(yōu)選采用電動(dòng)推桿控制制動(dòng)棘爪的動(dòng)作，獨(dú)立控制。拖曳貨船工況時(shí)，卷筒的帶式制動(dòng)器和棘輪制動(dòng)同時(shí)制動(dòng)，即制動(dòng)棘爪處于嚙合狀態(tài)，棘輪制動(dòng)側(cè)起到制動(dòng)和逆止保護(hù)的雙重功能，此時(shí)卷筒只允許收纜，同時(shí)可以在帶式制動(dòng)器摩擦片打滑或失效時(shí)起到逆止保護(hù)的作用。拖曳作業(yè)完畢后，可快速收纜。

卷筒兩側(cè)對(duì)稱布置制動(dòng)器，可以減小單側(cè)制動(dòng)力，避免機(jī)構(gòu)的應(yīng)力集中；卷筒采用電氣和液壓兩種制動(dòng)方式，互為備用，更為安全可靠；帶式制動(dòng)器的摩擦片在海水侵入、冬季結(jié)冰或過(guò)度磨損情況下打滑時(shí)，棘輪制動(dòng)側(cè)可以起到即時(shí)逆止安全保護(hù)的作用。

4.2 傳動(dòng)軸聯(lián)接裝置改進(jìn)

為了增加鍵加螺栓聯(lián)接強(qiáng)度，制定取消鍵和螺栓聯(lián)接的一體通軸設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行CAE仿真計(jì)算。對(duì)軸類結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE仿真計(jì)算技術(shù)較為成熟[4]，本節(jié)對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行建模和裝配體仿真計(jì)算，確定其受力規(guī)律，進(jìn)而驗(yàn)證方案的可行性。

為了提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量和計(jì)算效率，對(duì)該軸明顯不影響結(jié)果的細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。軸的材質(zhì)為45#鋼，屈服強(qiáng)度355 MPa。將模型沿軸向根據(jù)直徑不同分段劃分，然后通過(guò)“面面粘連”命令合為一體，采用四面體網(wǎng)格，總數(shù)量為250 778，網(wǎng)格檢查無(wú)錯(cuò)誤。傳動(dòng)軸與卷筒間的傳動(dòng)通過(guò)齒嵌式離合裝置實(shí)現(xiàn)，在該段軸的離合器安裝處添加固定約束。傳動(dòng)軸與減速齒輪采用過(guò)盈聯(lián)接方式，在軸齒輪安裝處施加轉(zhuǎn)矩載荷19.56 kN·m。

該方案通軸最大應(yīng)力出現(xiàn)在傳動(dòng)齒輪安裝處，其值為132.29 MPa，遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力。原分段軸連接處的應(yīng)力值顯著降低，安全系數(shù)大幅提高。

4.3 纜繩防松脫裝置設(shè)計(jì)

由纜繩松脫原因的分析可知，纜繩松脫防范重點(diǎn)在卷筒底部區(qū)域。據(jù)此設(shè)計(jì)制作纜繩防松脫報(bào)警裝置，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 纜繩防脫防松裝置結(jié)構(gòu)

該裝置安裝于卷筒底部中心位置，兩擋板圓弧與卷筒的擋板配合防止纜繩從底部脫出。在擋板中部設(shè)置監(jiān)測(cè)桿，兩端安裝在感應(yīng)圓盤上，圓盤通過(guò)彈簧在擋板上固定，當(dāng)纜繩松垂到設(shè)定位置時(shí)，監(jiān)測(cè)桿會(huì)動(dòng)作而偏離初始位置，觸發(fā)開(kāi)關(guān)報(bào)警。當(dāng)監(jiān)測(cè)桿不動(dòng)作時(shí)，桿在彈簧拉力作用下卡阻圓槽內(nèi)，避免隨船晃動(dòng)引起誤報(bào)警。該設(shè)計(jì)使卷筒與甲板的間隙極小，避免了纜繩從底部脫出的隱患，同時(shí)能將纜繩松弛脫垂的情況及時(shí)反映給駕駛員，便于及時(shí)規(guī)范收纜。