滚轮装置的研制

2014-05-23陈允中

中国修船 2014年6期

某海工船单点系泊系统采用SBM的设计，软钢臂结构的头部为圆形浮筒，尾部为长圆筒，中间有2个连接臂，单点系统与船舶通过钢丝绳连接。因其回转装置的大轴承经检测径向和轴向间隙超过磨损极限，需更换新回转大轴承和相关的密封件。因为轴承换新时必须使单点系泊装置中的轴承处于水平位置，这就要求将装有轴承的浮筒部分提升约15m，此时轴承中心在水平方向向后移动约4m。

提升机构主要由钢丝绳千斤顶、2个支撑架、1根水平横梁和8组滚轮装置组成。水平横梁两端各装4组滚轮装置，提升过程中水平横梁会沿船长方向缓慢向后移动，就需要使用体积小、重量轻、结构紧凑、承载能力大的滚轮移动装置。

海尔曼公司生产的高负载滚轮，承载量1～1000t，性能可靠，能根据客户要求进行特殊定制，在世界上有许多著名的应用案例。考虑到定购滚轮装置价格昂贵，定购时间长，基于成本的考虑，我们决定自制滚轮装置。

1 设计的相关考虑

1)滚轮装置的负载。单点系泊装置总质量约2020t，提升所需约520t，由8套滚轮装置承载，每套滚轮装置承载约65 t。每套滚轮装置设计最少承载滚子数为7个，单个滚子承载为9.28 t，考虑提升和下降过程的动载因素，初定单个滚子承载为10t，则单套滚轮装置可承载70t。

2)材料的选用。与滚子接触的承载支撑板，考虑其强度和耐磨性的要求，应选取强度高、焊接性好、硬度适中的材料。滚子是本装置的主要承载件，考虑其强度要求高，又要便于加工和采购，可采用高强度的合金钢锻件。

3)滚轮装置的加工。与滚子接触的承载支撑板，宽度达270mm，初步设计时要求焊接后加工底部的接触面，且两端精加工后应为圆弧面，考虑到焊接后加工两端圆弧比较困难，后来施工时改为用线切割加工两端圆弧，组装焊接后只加工底平面，两端圆弧最后由钳工修磨光滑过渡即可。滚子的外形，为避免出现接触应力集中的问题，按轴承滚子设计的要求和相关论文的介绍，采用对数母线的滚子性能最理想，考虑到加工不便，通过对空心滚子的优化设计，两端修磨光滑过渡。

2 滚子与平板接触的相关理论

2.1 实心滚子

实心滚子与平板接触的情况，理论上可认为是圆柱体和平面接触，变形前二者沿一条直线接触，受压力F后，接触处发生了弹性变形，接触线变成宽度为2b的矩形面，由赫兹理论公式得:

接触半宽

接触应力

式中:E1、E2为材料的弹性模量;v1、v2为材料的泊松比;D为滚子的直径;L为滚子的有效接触长度。

2.2 空心滚子

采用空心滚子时，因空心滚子不是半空间体，其与平板接触的情况不再适用赫兹理论。空心滚子在受力情况下比实心滚子变形增大，选取合适的空心度，可显著降低接触应力和等效应力。

3 有限元求解

3.1 相关参数设定

选取网格单元边长必须小于接触半宽b的50%，才可在有限元计算中取得满意的效果，否则有限元计算精度太低，无法得到有意义的结果。

实际选取单个滚子直径65mm，内孔24mm，有效接触长度116mm。根据实心滚子的相关公式，计算得到的滚子接触半宽b为0.58mm，接触应力为1020MPa，根据计算得到的接触半宽b，这里选取网格单元轴向边长为0.4mm，宽度方向边长＜0.25mm。

考虑到在网格单元边长很小的情况下，网格数量急剧增加，给计算工作带来较大的困难，建立模型时只取单个滚子的1/4，网格模型由342002个节点组成，有204288个单元。在模型的剖分处施加对称约束，对底板施加固定约束，对耐磨板施加均布载荷。载荷包括了滚子和耐磨板的自重、提升装置工作过程中通过耐磨板给滚子施加的压力。