大型浮吊滑动摩擦材料回转支撑力学行为

袁振钦等

摘要： 针对浮吊的轻量化设计，采用非金属滑动摩擦材料Nylatron 703XL取代以往的滚动式回转支撑.对Nylatron 703XL材料试样进行压缩试验，获得材料的压缩性能曲线，发现这种材料的压缩性能曲线呈现明显的非线性特征，对结构分析的影响显著.针对2×8 000 t大型浮吊，用Abaqus计算得到不同工况对Nylatron 703XL垫圈的力学响应和规律.计算分析摩擦因数对垫圈力学行为的影响.结果认为：Nylatron 703XL具有取代金属结构的能力，可以作为滑动摩擦材料；其在工程机械承载结构上应用的潜力巨大.

关键词： 浮吊； 轻量化设计； 回转支撑； 滑动摩擦材料； Nylatron 703XL； 非线性

中图分类号： TH218；TB115.1文献标志码： B

Abstract： As to the light weight design on a floating crane， the nonmetallic sliding friction material Nylatron 703XL is applied to replace the previous rolling rotary fulcrum. The compression test on a Nylatron 703XL specimen is performed to obtain the material compression performance curve. The compression performance curves present the obvious nonlinear characteristics， which have significant effect on the structural analysis. As to a 2×8 000 t floating crane， Abaqus is used to calculate the mechanical response and its rule of a Nylatron 703XL washer under different conditions. The effect of friction factor on the mechanical behavior of the washer is calculated and analyzed. The results indicate that， Nylatron 703XL has the ability to replace the metal structure and can be used as sliding friction material； its application potential in bearing structures of engineering machinery is enormous.

Key words： floating crane； light weight design； rotary fulcrum； sliding friction material； Nylatron 703XL； nonlinearity

引言

海洋工程的不断发展，促使浮吊朝大型化发展.浮吊的自身质量、起升高度和起升质量大大提高，导致浮吊底部回转支撑的滚子承受载荷极大，造成应力集中，使其很难滚动，给工程使用造成很大困难.浮吊自身质量越大，经济投入就越大，所以大型浮吊的轻量化设计成为未来浮吊产业发展的关键.浮吊的轻量化设计，不仅有对上部臂架结构的优化[1]，还有对底部支撑的优化.底部支撑质量巨大[2]，仅仅靠结构优化难以取得效果.综合以上2方面因素考虑，如果采用低密度材料进行替换，质量会大大降低.高分子材料具有轻量化、耐摩擦和抗腐蚀等优点[3]，如果能用在浮吊的关键部位，是很好的选择.

随着材料技术的发展，高分子材料种类越来越多，力学性能越来越强，并且在某些方面逐渐取代金属的地位.尼龙滑轮作为塔吊配件已经以其独特的优点渐渐代替老旧的金属滑轮，广泛应用于各起重设备中.起重机用的尼龙滑轮一般为MC尼龙[4]，强度比一般尼龙高1.5倍，超过常用工程塑料.起重机吊臂支撑用滑块过去一直都用黄铜制成，改用MC尼龙材料后，使用寿命提高4～5倍.高分子材料具有摩擦因数小、强度高、质量小和抗腐蚀等优点，使得其在吊机行业中的应用前景广泛.

塑料在工业上应用的历史比金属短得多，因此塑料的选择原则、方法和过程基本参照金属的做法.根据塑料的使用和工艺性能特点，结合具体的塑料零件结构设计进行合理选材，尤其应注意工艺和试验结果，综合评价后确定选材方案.本文选取力学性能优良的高分子材料Nylatron 703XL作为滑动摩擦材料，应用于浮吊的回转支撑，替换以往的滚动式回转支撑[5]，见图1.

采用滑动摩擦垫圈结构，使得回转支撑结构简单，质量极大减小，但对材料的力学性能要求较高：首先要有足够的弹性模量和压缩强度以承载，其次需要较好的摩擦性能使上部结构能够自由转动.

由于Nylatron 703XL是一种新型高分子材料，在应用上并不广泛，针对结构的应用也没有相应规范[67]，所以首先需要通过材料试验了解其力学性能，然后融入结构进行力学性能分析.

1摩擦回转支撑结构形式

本结构针对2×8 000 t海上浮吊进行设计，浮吊回转支撑采用双环形滑动摩擦垫片，每个环形垫片上部有滑动导轨与其接触摩擦，导轨上部与浮吊回转底盘焊接而成，见图2.浮吊工况载荷和自重通过上部臂架传递到回转底盘[7]，回转底盘通过滑轨将载荷传递到摩擦垫片，摩擦垫片将载荷作用于回转下支撑.结构具体参数见表1.

1—回转底盘；2—滑轨；3—摩擦垫圈；4—回转下支撑

滑动垫片由内外2个独立的144°弧形组成，外圆环的外径为30 400 mm，内径为29 600 mm；内圆环的外径为28 400 mm，内径为27 600 mm；厚度均为50 mm.摩擦垫片应用在回转支撑结构与吊机支座之间.摩擦材料单元类型采用C3D8R.滑轨和上层钢板采用粘接形式连接，滑轨和摩擦材料采用面面接触形式，采用库仑摩擦模拟滑轨与摩擦材料之间的切向行为.

3.3约束、加载和分析

根据摩擦垫片的环形设计，将滑动摩擦材料底面和两端面进行固定约束.模型建立一个静态分析步和一个动态分析步，静态分析步模拟滑动摩擦垫片承受上部压力过程，动态分析步模拟滑轨与摩擦垫片产生滑动摩擦过程.

载荷有2种：一种是静态分析步中对上部钢板施加的均布载荷，分析摩擦材料承受静态压力的力学行为；另一种是动态分析步中对上部钢板及滑轨施加的位移载荷，分析摩擦材料在承压情况下发生滑动摩擦的力学行为.边界条件和加载见图6.

5结论

基于浮吊结构，采用滑动摩擦材料Nylatron 703XL替换滚柱式回转支撑结构的新型设计进行材料性能研究.通过材料试验以及非线性分析，主要得到以下结论：

（1）Nylatron 703XL具有较好的承压能力，在一定程度上可以替换金属结构，其压缩性能呈现双线性特征，对结构分析影响显著.

（2）在摩擦因数为0.18情况下，摩擦材料的最大von Mises应力处于第二线性段，如果出现意外载荷，可能使材料屈服.如果能将材料与钢板的摩擦因数降低到0.1以下，将使结构更安全.

（3）摩擦材料处于低压力（4 MPa以下）时，摩擦是材料力学行为的主因；摩擦材料处于高压力（8 MPa上）时，剪切是材料力学行为的主因.

（4）滑轨对材料的剪切作用强于对材料的摩擦作用，如果压力过大，将导致材料剪切破坏.

综上所述，如果能够适当处理Nylatron 703XL的表面和边缘，降低其与钢板之间的摩擦因数，并对边缘进行倒角以减小边缘剪切力，可将Nylatron 703XL材料作为滑动摩擦材料，应用于浮吊回转支撑结构.

参考文献：

[1]郑惠强， 申静静， 张氢. 7000 t浮式起重机臂架钢结构分析[J]. 中国工程机械学报， 2008， 6（2）： 184187.

ZHENG Huiqiang， SHEN Jingjing， ZHANG Qing. Steel structure analysis on boom of 7000 t floating crane[J]. Chin J Construction Machinery， 2008， 6（2）： 184187.

[2]卢凯良， 邱惠清， 宋甲强， 等. 7500 t浮吊回转支承轮压仿真计算与实测验证[J]. 机械设计， 2009， 26（12）： 1923.

LU Kailiang， QIU Huiqing， SONG Jiaqiang， et al. Wheel pressure simulative calculation and actual measuring verification of 7500 t floating crane turning support[J]. J Machine Des， 2009， 26（12）： 1923.

[3]马之庚， 陈开来. 工程塑料手册： 材料卷[M].北京： 机械工业出版社， 2004， 3132.

[4]张海燕， 李根臣， 王树伦， 等. MC尼龙的应用研究进展[J]. 工程塑料应用， 2010， 38（12）： 8890.

ZHANG Haiyan， LI Genchen， WANG Shulun， et al. Research progress in applications of MC nylon[J]. Eng Plastics Application， 2010， 38（12）： 8890.

[5]张质文， 虞和谦， 王金诺， 等. 起重机设计手册[M]. 北京： 中国铁道出版社， 1998， 5152.

[6]GB 3811—2008起重机设计规范[S].

[7]中国船级社. 船舶与海上设施起重设备设计规范[S].

[8]ISO 6042003Plasticsdetermination of compressive properties[S].

[9]ASTM D69510Standard test method for compressive properties of rigid plastics[S].

[10]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006： 164.（编辑武晓英）

滑动垫片由内外2个独立的144°弧形组成，外圆环的外径为30 400 mm，内径为29 600 mm；内圆环的外径为28 400 mm，内径为27 600 mm；厚度均为50 mm.摩擦垫片应用在回转支撑结构与吊机支座之间.摩擦材料单元类型采用C3D8R.滑轨和上层钢板采用粘接形式连接，滑轨和摩擦材料采用面面接触形式，采用库仑摩擦模拟滑轨与摩擦材料之间的切向行为.

3.3约束、加载和分析

根据摩擦垫片的环形设计，将滑动摩擦材料底面和两端面进行固定约束.模型建立一个静态分析步和一个动态分析步，静态分析步模拟滑动摩擦垫片承受上部压力过程，动态分析步模拟滑轨与摩擦垫片产生滑动摩擦过程.

载荷有2种：一种是静态分析步中对上部钢板施加的均布载荷，分析摩擦材料承受静态压力的力学行为；另一种是动态分析步中对上部钢板及滑轨施加的位移载荷，分析摩擦材料在承压情况下发生滑动摩擦的力学行为.边界条件和加载见图6.

5结论

基于浮吊结构，采用滑动摩擦材料Nylatron 703XL替换滚柱式回转支撑结构的新型设计进行材料性能研究.通过材料试验以及非线性分析，主要得到以下结论：

（1）Nylatron 703XL具有较好的承压能力，在一定程度上可以替换金属结构，其压缩性能呈现双线性特征，对结构分析影响显著.

（2）在摩擦因数为0.18情况下，摩擦材料的最大von Mises应力处于第二线性段，如果出现意外载荷，可能使材料屈服.如果能将材料与钢板的摩擦因数降低到0.1以下，将使结构更安全.

（3）摩擦材料处于低压力（4 MPa以下）时，摩擦是材料力学行为的主因；摩擦材料处于高压力（8 MPa上）时，剪切是材料力学行为的主因.

（4）滑轨对材料的剪切作用强于对材料的摩擦作用，如果压力过大，将导致材料剪切破坏.

综上所述，如果能够适当处理Nylatron 703XL的表面和边缘，降低其与钢板之间的摩擦因数，并对边缘进行倒角以减小边缘剪切力，可将Nylatron 703XL材料作为滑动摩擦材料，应用于浮吊回转支撑结构.

参考文献：

[1]郑惠强， 申静静， 张氢. 7000 t浮式起重机臂架钢结构分析[J]. 中国工程机械学报， 2008， 6（2）： 184187.

ZHENG Huiqiang， SHEN Jingjing， ZHANG Qing. Steel structure analysis on boom of 7000 t floating crane[J]. Chin J Construction Machinery， 2008， 6（2）： 184187.

[2]卢凯良， 邱惠清， 宋甲强， 等. 7500 t浮吊回转支承轮压仿真计算与实测验证[J]. 机械设计， 2009， 26（12）： 1923.

LU Kailiang， QIU Huiqing， SONG Jiaqiang， et al. Wheel pressure simulative calculation and actual measuring verification of 7500 t floating crane turning support[J]. J Machine Des， 2009， 26（12）： 1923.

[3]马之庚， 陈开来. 工程塑料手册： 材料卷[M].北京： 机械工业出版社， 2004， 3132.

[4]张海燕， 李根臣， 王树伦， 等. MC尼龙的应用研究进展[J]. 工程塑料应用， 2010， 38（12）： 8890.

ZHANG Haiyan， LI Genchen， WANG Shulun， et al. Research progress in applications of MC nylon[J]. Eng Plastics Application， 2010， 38（12）： 8890.

[5]张质文， 虞和谦， 王金诺， 等. 起重机设计手册[M]. 北京： 中国铁道出版社， 1998， 5152.

[6]GB 3811—2008起重机设计规范[S].

[7]中国船级社. 船舶与海上设施起重设备设计规范[S].

[8]ISO 6042003Plasticsdetermination of compressive properties[S].

[9]ASTM D69510Standard test method for compressive properties of rigid plastics[S].

[10]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006： 164.（编辑武晓英）

滑动垫片由内外2个独立的144°弧形组成，外圆环的外径为30 400 mm，内径为29 600 mm；内圆环的外径为28 400 mm，内径为27 600 mm；厚度均为50 mm.摩擦垫片应用在回转支撑结构与吊机支座之间.摩擦材料单元类型采用C3D8R.滑轨和上层钢板采用粘接形式连接，滑轨和摩擦材料采用面面接触形式，采用库仑摩擦模拟滑轨与摩擦材料之间的切向行为.

3.3约束、加载和分析

根据摩擦垫片的环形设计，将滑动摩擦材料底面和两端面进行固定约束.模型建立一个静态分析步和一个动态分析步，静态分析步模拟滑动摩擦垫片承受上部压力过程，动态分析步模拟滑轨与摩擦垫片产生滑动摩擦过程.

载荷有2种：一种是静态分析步中对上部钢板施加的均布载荷，分析摩擦材料承受静态压力的力学行为；另一种是动态分析步中对上部钢板及滑轨施加的位移载荷，分析摩擦材料在承压情况下发生滑动摩擦的力学行为.边界条件和加载见图6.

5结论

基于浮吊结构，采用滑动摩擦材料Nylatron 703XL替换滚柱式回转支撑结构的新型设计进行材料性能研究.通过材料试验以及非线性分析，主要得到以下结论：

（1）Nylatron 703XL具有较好的承压能力，在一定程度上可以替换金属结构，其压缩性能呈现双线性特征，对结构分析影响显著.

（2）在摩擦因数为0.18情况下，摩擦材料的最大von Mises应力处于第二线性段，如果出现意外载荷，可能使材料屈服.如果能将材料与钢板的摩擦因数降低到0.1以下，将使结构更安全.

（3）摩擦材料处于低压力（4 MPa以下）时，摩擦是材料力学行为的主因；摩擦材料处于高压力（8 MPa上）时，剪切是材料力学行为的主因.

（4）滑轨对材料的剪切作用强于对材料的摩擦作用，如果压力过大，将导致材料剪切破坏.

综上所述，如果能够适当处理Nylatron 703XL的表面和边缘，降低其与钢板之间的摩擦因数，并对边缘进行倒角以减小边缘剪切力，可将Nylatron 703XL材料作为滑动摩擦材料，应用于浮吊回转支撑结构.

参考文献：

[1]郑惠强， 申静静， 张氢. 7000 t浮式起重机臂架钢结构分析[J]. 中国工程机械学报， 2008， 6（2）： 184187.

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[2]卢凯良， 邱惠清， 宋甲强， 等. 7500 t浮吊回转支承轮压仿真计算与实测验证[J]. 机械设计， 2009， 26（12）： 1923.

LU Kailiang， QIU Huiqing， SONG Jiaqiang， et al. Wheel pressure simulative calculation and actual measuring verification of 7500 t floating crane turning support[J]. J Machine Des， 2009， 26（12）： 1923.

[3]马之庚， 陈开来. 工程塑料手册： 材料卷[M].北京： 机械工业出版社， 2004， 3132.

[4]张海燕， 李根臣， 王树伦， 等. MC尼龙的应用研究进展[J]. 工程塑料应用， 2010， 38（12）： 8890.

ZHANG Haiyan， LI Genchen， WANG Shulun， et al. Research progress in applications of MC nylon[J]. Eng Plastics Application， 2010， 38（12）： 8890.

[5]张质文， 虞和谦， 王金诺， 等. 起重机设计手册[M]. 北京： 中国铁道出版社， 1998， 5152.

[6]GB 3811—2008起重机设计规范[S].

[7]中国船级社. 船舶与海上设施起重设备设计规范[S].

[8]ISO 6042003Plasticsdetermination of compressive properties[S].

[9]ASTM D69510Standard test method for compressive properties of rigid plastics[S].

[10]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006： 164.（编辑武晓英）