反铲挖泥船定位钢桩提升钢丝绳绳头的卷筒固定方案

肖　博　郭志勇　徐长生

1　中交天津港航勘察设计研究院有限公司　2　武汉理工大学物流工程学院



反铲挖泥船定位钢桩提升钢丝绳绳头的卷筒固定方案

肖博1郭志勇1徐长生2

1中交天津港航勘察设计研究院有限公司2武汉理工大学物流工程学院

为改善定位钢桩提升钢丝绳的受力状况，提出了将定位钢桩提升钢丝绳经卷绕卷筒几圈后，再将其绳头固定的方案，并进行了理论分析。分析和实践案例表明，改进方案能够显著改善钢丝绳绳头的受力状况，为海洋工程装备中类似机构的设计提供了参考。

反铲挖泥船； 定位钢桩； 钢丝绳； 绳头固定； 卷筒

1　前言

反铲挖泥船在施工时，3根定位钢桩上的绞车提升系统会将船提升一定的高度，使全船处于半浮状态，这样可以显著减少风、浪、流对反铲机挖泥作业的影响，从而提高反铲挖泥船的挖泥精度和效率，如图1所示。

图1　反铲挖泥船施工原理

这样的施工方式决定了定位钢桩上的绞车提升系统的提升钢丝绳需要承受很大的提船力，并且在环境载荷和反铲机动载荷的作用下，提升钢丝绳还要承受周期性动载荷，工况十分恶劣。以国内某大型反铲挖泥船为例，该船钢丝绳的绳头固定型式采用普通的压头法，在实际施工中，绳头经常出现断丝问题，为此需要频繁裁截并重新压头固定，严重影响了全船的施工效率。

经调查分析，普通压头法会造成钢丝绳在绳头部位的应力集中，当钢丝绳承受过大载荷时，很容易在绳头部位失效破坏。在不换用更高规格钢丝绳的情况下，本文提出了将定位钢桩提升钢丝绳经卷绕卷筒几圈后再将其绳头固定的改进方案，并对该方案进行了理论分析。

2　提升钢丝绳绳头的卷筒固定型式

2.1提升钢丝绳受力工况

反铲船在“挖掘-卸载”的一个工作周期内，提升钢丝绳承受的动载荷(见图2)如下：

图2　钢丝绳承受的周期动载荷

定位钢桩上的绞车提升系统提升钢丝绳采用高强度钢丝绳，其抗拉强度为1 960 MPa，破断拉力4 114 kN。钢丝绳绳头采用普通压头法，绳头的应力集中会使钢丝绳强度降低约20%，《欧洲起重机械设计规范》规定的静载钢丝绳许用最小安全系数是3.0，考虑到动载荷的影响，则安全系数至少需大于5.0，按照钢丝绳的极限载荷分析，钢丝绳绳头安全性不足。

2.2钢丝绳绳头的卷筒固定型式

为了改善钢丝绳绳头的受力，在绳尾端设置一个固定卷筒，钢丝绳在卷筒上卷绕3～5圈后，再引出固定(见图3)。本例中，钢丝绳直径∅68 mm，设计固定卷筒直径800 mm，长度380 mm，卷筒壁厚90 mm。

图3　卷筒绳头型式

2.3改进型式的性能

提升钢丝绳经卷绕卷筒几圈后再将其绳头固定的方案的性能类似于船用带缆桩，都是利用一部分摩擦阻力来固定绳索。按照绞车卷筒受力的理论，钢丝绳受外拉力F拉紧后，在和卷筒的接触面上会受到周向摩擦阻力，由于摩擦阻力的牵阻作用，钢丝绳的拉力F会逐渐减小，从而达到降低钢丝绳绳头拉力，减小绳头应力集中的目的。

钢丝绳拉力F满足柔韧体摩擦的欧拉公式[1]：

式中，μ为钢丝绳和卷筒之间的摩擦系数(取μ=0.1)；θ为钢丝绳在卷筒上的包角；Fin为钢丝绳入绳拉力。

根据公式，钢丝绳拉力F是包角θ的函数，其分布呈指数递减趋势见图4。

图4　钢丝绳拉力F分布

在此例中，按照入绳拉力Fin=1 330 kN，钢丝绳在卷筒上卷绕3圈计算，则出绳拉力为：

可见，钢丝绳在卷筒上卷绕3～5圈后再将绳头固定的方法，显著降低了绳头的拉力，从而提高了钢丝绳绳头的安全裕量。

3　固定卷筒结构分析

3.1卷筒受力分析

为保证全船的安全性，还需要对固定卷筒进行结构安全性校核。若以卷筒为分析对象，其直接的受力是径向压力T和周向摩擦力f；若以钢丝绳为分析对象，除了受上述径向压力、周向摩擦力的反力外，还受到绳端的进出拉力Fin和Fout，并维持力系平衡，则矢量关系为：

由微分方程可知，卷筒受到的径向压力和周向摩擦力分别为[2]：

3.2卷筒强度分析

径向压力T及周向摩擦力f会造成卷筒上的压应力和扭矩切应力。并且，由于径向压力T值和周向摩擦力f值不均分布，卷筒还会有弯曲应力。

本例中，因卷筒设计长度较短，可以忽略弯曲应力影响；由理论分析可知，周向摩擦力相对径向压力也是小量，故扭转切应力也很小。卷筒结构的主要应力是压应力。

根据厚壁圆筒理论[3]，最大应力出现在筒壁内侧，且在在钢丝绳的入绳处，应力值最大。

对卷筒进行压应力校核，对厚壁圆筒，当只受到外压力P0时，在壁厚方向的应力分布如图5所示，危险点出现在圆筒内壁处，其最大应力分量为：

其中，K为卷筒外内径比值，即K=R0/Ri。

对卷筒而言，因为径向压力T是逐渐减小的，所以还需要乘以应力减小系数A1，按照第三强度理论得：

代入数据，计算得卷筒的最大等效应力σⅢ=197 MPa。

图5　受外压厚壁圆筒应力分布

3.3卷筒有限元分析

由前述理论分析可知，扭转切应力和弯曲应力都是小量，有限元计算考虑的主要载荷仍然是径向压力T。为便于加载，将径向压力T以π/4为小段离散化，计算每π/4小段内的压力均值：

设钢丝绳直径d，则每π/4内的压强值：

建立有限元模型并加载分析，最大应力出现在钢丝绳开始绕进时的卷筒内侧[4](见图6)，其值为181 MPa，与理论分析结论基本一致，且在许用应力范围内。

图6　固定卷筒有限元分析结果

4　结语

在重型装备中，压头法是钢丝绳绳头固定的常用型式。但在钢丝绳受载荷较大情况下，绳头的应力集中问题应引起足够重视。本文提出的将定位钢桩提升钢丝绳经卷绕卷筒几圈后再将其绳头固定的改进方案，经理论分析和实践案例应用证明，能够显著改善钢丝绳绳头的受力状况，可为海洋工程装备中类似机构的设计提供参考。

[1]舒双元.卷筒的有限元分析计算[J].红水河,1999(4):55-57.

[2]张晓川,陈定方,肖金生.250t升船机提升卷筒结构分析[J].交通与计算机,1996(4):20-23.

[3]成大先等.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2008:155.

[4]张质文等.起重机设计手册[M].北京:中国铁道工业出版社,1998：230.

A Reel Design for Fixing the End of Wire Rope Used in a Backhoe Dredger

Xiao Bo1Guo Zhiyong1Xu Changsheng2

1 CCCC Tianjin Port & Waterway Prospection & Design Research Institute Co., Ltd.2 School of Logistics Engineering of Wuhan University of Technology

In order to improve the stress state of the hoisting wire rope, a scheme which will fix the wire rope of the steel guide pile after it is wound around the reel for several circles is proposed. Combining the theoretical analysis and practice case, it shows obviously that the proposed reconstruction scheme can relief the stress concentration in the end of cable especially when it is used in some worse working situation. This fix type can be a valuable reference for the design of similar offshore equipment.

backhoe dredger; steel guide pile; steel wire rope; rope end fixation type; reel

2016-04-19

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.002

肖博： 300457，天津市经济技术开发区睦宁路14号