3000kW绞刀长轴系统设计

陈世明 熊天恒 詹映龙 余向前

摘 要：绞刀驱动轴是绞吸式挖泥船工程施工的核心设备，在运转过程中受到回转冲击、轴向冲击等多维度的冲击载荷和周期性激振力。长轴系系统设计的重点是轴的强度计算。同时，长轴系轴承位于水线下，设计中采用赛龙轴承，采用以水代油的轴承绿色冷却方式。

关键词：绞刀轴；中间轴；赛龙轴承

中图分类号：U664.2 文献标识码：A

Abstract： Cutter drive shaft is the key core equipment of ground suction dredger， bears the rotary impact， axial impact and other aspects of impact load and periodic vibration force in the process of running and the emphasis of long shafting design is the calculation of the shaft strength. At the same time， the bearing of it is located under the water line， the dragon bearing is adopted in the design with the green cooling mode of the bearing by water instead of oil.

Key words： Cutter shaft； Intermediate shaft； Dragon bearing

1 前言

绞吸挖泥船泥泵功率2 200 kW、泥泵排出口通经900 mm、最大挖深30 m、最小挖深6 m，采用两台1650kW变频电机，通过齿轮箱输出到长轴系驱动绞刀头，之间连接带有弹性联轴器、气动离合器、安全离合器、安全联轴器。

绞刀长轴系主要由绞刀轴、绞刀轴轴承、传动中间轴、中间轴承等主要部件组成。轴系的设计是根据绞刀功率和额定转速，设计绞刀轴径、中间轴径的具体尺寸，再进行轴承设计。长轴系简图见圖1。

2 绞刀轴系设计

该长轴系由三条中间轴、一条绞刀轴组成，总长约38 m（包括绞刀）。中间轴与绞刀轴之间采用高强度铰制螺栓连接，绞刀头与绞刀轴采用螺纹连接。中间轴依靠安装在舱内的3个中间轴承支撑，绞刀由安装在首部的绞刀轴承支撑。中间轴承只承受扭转力和弯曲力，不承受轴向力，绞刀头的轴向力由齿轮箱内部的推力轴承承受。所以中间轴承和推力轴承均采用赛龙高分子材料，同时用以水代油的轴承冷却方式。

绞刀传动系统要求工作最大倾角为60°，设计按最大倾角为65°。绞刀齿轮箱和联轴器安装在带水密舱的桥架内，不浸泡海水。齿轮箱为上入下出、双输入单输出结构，采用三级减速，输出轴可承受双向额定推力。齿轮箱输入轴与输出轴垂直偏移约1101 mm，水平偏移约 2x2 125 mm。齿轮箱重量约230000 kg。绞刀齿轮箱传递效率约 0.96。齿轮箱配有盘车装置，能使绞刀头缓慢转动，以便拆卸或安装绞刀头。绞刀轴的转向可调，转速约为±1 r/min。该盘车装置包括一台电机（约37 kW）、减速箱及盘车离合器等组成

绞刀轴除受到扭转力矩和弯曲力矩外，还受到周期性的冲击载荷，长期工作后易出现材料的疲劳裂纹。影响材料疲劳的因素较复杂，轴长期受多次重复和变化的载荷导致轴的最大实际应力超过材料的疲劳强度，使轴裂痕逐渐扩展就可能造成断轴事故。对于任何绞刀轴系，不可能经常处于设计工况下工作，因此要求轴具有一些储备能力，使轴能经受长期的循环载荷而不致因疲劳而破坏。为此采用高强度合金钢40Cr作为轴的材料，并对轴进行热处理，达到在足够的塑性条件下具有更高强度极限。

3 绞刀长轴系统设计计算

3.1 传动中间轴直径计算

已知绞刀输入轴功率P=3 000 kW，工作转速n=30 r/min，轴材料为合金钢40Cr。

由设计手册查得合金钢40Cr的许用扭转切应力τp为35～55 MPa，在对轴进行热处理达到足够的塑性条件下取τp=42 MPa，可得安全系数S=τp/τ=1.86。

由设计手册查得在载荷确定不精确、应力计算较粗略或轴径较大（d > 200 mm） 条件下，轴强度校核的许用安全系数为1.8～2.5，取许用安全系数[SP]=1.8，则计算安全系数S>[SP]，轴的强度足够。

3.4 绞刀轴强度校核

考虑绞刀轴受较大冲击和周期性激振力，许用安全系数取上限Sp=2.5；由于绞吸挖泥船绞刀系统工况很复杂，仅仅按照常规的扭距因素校核强度往往不够，需要考虑疲劳系数修正，工程中常用修正系数P取1.5，则[ Sp]=Sp.P=3.75

故计算安全系数S>[ Sp]，轴的强度足够。

4 水下轴承设计

4.1 水下轴承选用

由于长轴系轴承位于水线下，受到海水浸泡容易腐蚀。绞刀轴承一般由轴承座、轴承内不锈钢套、赛龙轴承及冷却舱构成。

绞刀轴承润滑要求如下：

（1）进水口压力0.4～0.6 MP；（2）流量需求Q1=0.15 L/min x 轴径（mm）=117 L/min；（3）绞刀轴承水流量7m3/h；（4）冷却介质海水；（5）进水管通径DN25（2x）；（6）海水颗粒度≤175μm。

中间轴承润滑要求如下：

（1）进水口压力0.4～0.6 MP；（2）流量需求Q2=0.15 L/min x 轴径（mm）=90 L/min；（3）中间轴承水流量16.2 m3/h；（4）冷却介质海水；（5）进水管通径DN25（2x）；（6）海水颗粒度≤175μm。

绞刀轴承基本外形，见图2。

中间轴承基本外形，見图3。

赛龙轴承的基本参数如下：

工作温度范围为：-2～45 ℃；允许热膨胀量：0.4 mm；轴承与轴之间运转最小间隙：1.9 mm；

最小安装间隙：3.16 mm；允许吸水胀量：0.81 mm。

赛龙轴承的主要特性如下：

（1）摩擦系数低，是一般水润滑轴承的一半，可以降低起动转矩，在清洁的环境中使用不开水槽的赛龙轴承更能增加工作效率，快速地产生润滑水膜；

（2）可以在一定的时间（大约1～2分钟）内干运转，不需预先用水润滑，如果设备工作发生中断也不会损坏轴承，可大大地避免因润滑系统故障造成的轴承的损坏；

（3）抗磨能力强，当摩擦粒子进入轴承内部藉由弹力随着轴滚动，掉入水槽后排出外面，不会卡在轴承上，能将轴承和轴的磨损降到最低；

（4）具有较高负载能力，与一般非金属轴承相比长度可减短一半，可大地降低起动力矩；

（5）具有较高坚韧度和弹性，能吸收撞击负荷，不会永久变形，其坚韧度是橡胶轴承的五倍；

（6）水油润滑皆可，是油水混合环境中的最佳轴承；

（7）容易加工与安装，没有保存年限的限制。

4.2 水下轴承设计计算

赛龙轴承套外形，见图4。

4.3 绞刀轴承设计计算

应用供应商提供的计算软件，输入绞刀轴直径d1=780 mm，点取推荐轴承座内孔尺寸，生成轴承座内孔尺寸D1=870.41 mm；输入中间轴承座长度L1=2 620 mm；轴承座承受负载取绞刀轴重量和绞刀头重量之和28 390 kg；额定转速30 r/min。点取计算结果，再点取打印输出PDF版计算结果，得到绞刀轴承赛龙套内径D2=788.8 mm、外径D3=875.35mm、长度L2=2593.62 mm、轴承套与轴承座过盈配合过盈量DW1= D3- D1=4.94 mm、轴承套与绞刀轴配合间隙Dn1= D2- d1=8.8 mm。

赛龙材料线性膨胀系数根据环境温度有变化：当t〉30 ℃，Te=18x10-5 l/℃；当30℃〉t〉0℃，Te=15x10-5 l/℃；当t〈0 ℃，Te=10x10-5 l/℃。工程中常采用液氮冷却使赛龙轴承套收缩后压装进轴承座内。

4.4 传动中间轴承设计计算

应用计算软件，输入中间轴直径d2=600 mm，点取推荐轴承座内孔尺寸，生成轴承座内孔尺寸D4=675.29 mm。输入中间轴承座长度L3=910 mm；轴承座承受负载，负载取中间轴重量17 800 kg；额定转速30 r/min。点取计算结果，再点取打印输出PDF版计算结果。得到中间轴承赛龙套内径D5=607 mm，外径D6=679.2 mm， 长度L4=900.84 mm，赛龙轴承套与轴承座过盈配合，过盈量DW2= D6- D4=3.91 mm。赛龙轴承套与中间轴配合间隙Dn2= D5- d2=7 mm。

轴承套同样采用液氮冷却使赛龙轴承套收缩后压装进轴承座内。

4 结束语

绞刀长轴系的设计是一个高度复合系统全过程的综合设计，需要全面考虑绞刀型号、齿轮箱、联轴器、离合器及驱动电机等部套件功能和性能的合理匹配性。本文主要从轴所承受的功率负荷来进行设计，今后可以通过对国内外大功率、长轴系绞吸挖泥船的一些重要经验数据的收集，对设计进一步优化，使轴系的设计在确保安全前提下更加经济环保。

参考文献

[1] 周国庆，张兴辉. 机械设计手册[M].化学工业出版社，2011.

[2] 冯孝中，李亚东. 高分子材料[M].哈尔滨工业大学出版社，2007.