卡桩器卡爪与钢桩的等效摩擦系数分析

石臣刚 马美琴

摘要：卡爪作为卡桩器夹持钢桩的重要部件，其与钢桩间的接触关系极大地影响了卡桩器的承载能力。本文通过ABAQUS有限元仿真，得出了计算卡桩器夹持力与承载力关系的方法，通过等效摩擦系数来简化受力关系，并通过试验进行了验证。

关键词：卡桩器;等效摩擦系数;有限元模拟

中图分类号：T426.4                              文献标识码：A

1 研究背景

我国海洋面积广阔，资源丰富，开采程度较低，具有十分巨大的潜力。近年来，在我国近海海域，陆续地发现了数十个油气田资源，这些油气田处于沉积盆地中，储量十分丰富。大力开发海洋油气能源，有助于减少我国对进口油气能源的依赖。

海洋平台是海上油气开采的重要设施，卡桩器是一种广泛应用于安装深海固定式石油平台的液压夹具。目前广泛应用的安装方法是使用钢桩将石油平台固定于海底，然后用卡桩器临时连接钢桩和导管架，进行导管架的调平和灌浆工作，并在水泥浆固化期间起到抵御风浪的作用。目前，卡桩器设备需要完全从国外进口，其技术被外国垄断，这对我国海洋油气产业发展十分不利。因此，研制卡桩器，早日实现卡桩器国产化，对我国冲破国外技术壁垒，实现海洋油气产业的飞速发展都有着重要意义[1]。

位于卡桩器夹持油缸前端的卡爪作为卡桩器夹持钢桩的重要机构，其结构性能、可靠性关系到卡桩器整体作用效果和安全性。因此对卡爪结构、卡爪与钢桩间的作用原理研究是十分有必要的。本文通过有限元计算，对卡爪与钢桩间的等效摩擦系数进行了校核，并对比了几种卡爪结构的优缺点。

2 卡爪与钢桩间的受力状态

钢桩的受力状态如图2所示，钢桩受到卡爪水平方向的 夹持力T，卡爪夹持力在钢桩表面产生的竖直方向摩擦力与钢桩自重G相互平衡。因此卡爪夹持力要能够提供大于钢桩自重的摩擦力，才能保证卡爪夹持钢桩不会发生滑移，确保导管架不会发生倾斜，即需满足以下条件：

3 卡爪夹持钢桩施工过程有限元模拟

使用ABAQUS对卡爪夹持钢桩施工过程进行有限元分析计算。有限元计算分为两个步骤：第一步卡爪施加夹持力;第二步对钢桩施加一个竖向位移，此过程中钢桩的最大竖向支反力即为卡爪夹持力所能承受的最大竖向载荷，分别对应以下两个分析步骤：

（1）卡爪对钢桩施加106 N（约100 t）的水平推力（图4）。

（2）对钢桩部分施加5 mm的竖向位移（图5）。

由图7可知，钢桩需要约45 N的竖向力才可以克服卡爪夹持力产生滑移，即卡爪与钢桩间的等效摩擦系数为：

4 卡爪优化

卡桩器的卡爪与钢桩间的作用是在高压、重载的环境下进行的，卡爪与钢桩间的摩擦系数μ的大小成为卡桩器维持导管架平衡的关键因素。

摩擦系数受到多方面的影响，主要有以下几个因素[2]：

（1）法向压力

库仑摩擦定律：摩擦力跟作用在摩擦面上的正压力成正比，跟外表的接触面积无关，即摩擦系数是一个定值。

（2）金属的种类和化学成分

粘附性越强的金属通常具有较大的摩擦系数;硬度、强度越大的金属摩擦系数越小;钢随其含碳量的增加，摩擦系数减小。

（3）变形速度

摩擦系数随变形速度增加而有所下降。

（4）接触表面的状态

接触表面越粗糙，摩擦系数越大;接触表面越光滑，摩擦系数越小，但极其光滑的表面分子吸附作用会增强，反而会使摩擦系数增大。

综合以上四种因素，在保证卡爪结构的刚度和强度的前提下，在设计卡爪结构时，将卡爪与钢桩的接触部分设计为尖齿或开槽，以增大接触部位的接触应力，使之嵌入钢桩内部，从而提高卡爪夹持的摩擦力。这样可以减小夹持油缸的吨位，降低夹持油缸液压系统的负担，减小对油源的要求。

卡爪与钢桩的夹紧作用靠卡爪齿尖嵌入钢桩外壁表面材料，钢桩材料因屈服而产生屈服抗力，由该抗力所提供的剪切力来克服导管架的自重[3]。因此将卡爪与钢桩接触截面设计为三角形尖齿结构，则卡爪齿的受力在平面内如图8所示，其中F为屈服抗力在竖直方向分力与摩擦力的合力。由于钢桩屈服所产生的屈服抗力计算较为复杂，为简便计算，将合力F作为等效的摩擦力，来仿真计算等效的摩擦系数，这样的等效不会影响卡爪夹持能力的设计计算，因此是可行的。

卡爪的尖齿“咬入”钢桩的过程与金属切削过程有相似的地方，因此在钢桩的材质属性中引入塑性应力-应变参数和損伤参数[4-5]，如图10所示。

由图12可知，钢桩需要约1.26 N的竖向力才可以克服卡爪夹持力产生滑移，即卡爪与钢桩间的等效摩擦系数为：

此数值大于优化前的结果，在卡爪前端增加尖齿结构，可以有效地提高卡桩器的夹持能力，同时降低了对液压系统的要求，还可以减小夹持油缸的加工难度。

5 试验分析

按照理论计算与有限元计算结果，加工数件卡爪及试验钢板（用于模拟钢桩），来模拟卡爪夹持钢桩及导管架自重对卡爪的拉力[6]。

卡爪使用硬质合金钢加工而成，尖齿部位经过渗碳、淬火等热处理以提高硬度，同时尖齿根部保持较好的韧性，防止尖齿因撞击或受垂向载荷的剪切而断裂。用于模拟钢桩的试验钢板材质为DH36，与导管架钢桩材质相同，加工出与钢桩直径相等的圆弧来等比例模拟钢桩形态。

不同大小的竖向压力，得到的等效摩擦系数也不同。竖向压力与等效摩擦系数的关系如图14所示。

6 结论

（1）分析了卡桩器卡爪与钢桩接触的受力状态，并使用有限元分析计算了钢桩所受载荷与夹持力的关系，从而得到了等效摩擦系数。

（2）优化了卡爪的结构，通过卡爪前端尖齿来嵌入钢桩内部，大幅提高了等效摩擦系数。

（3）通过试验，验证了优化的结果，并得到了一组竖向压力与等效摩擦系数的关系曲线。

本文对卡桩器的重要部件卡爪进行了研究，通过等效摩擦系数的计算为后续卡桩器产品的设计、开发工作提供了理论依据，对卡爪结构的进一步优化及加工工艺的优化都有很好的研究前景。

（责任编辑：武多多）

参考文献：

[1]梁富浩，闫祥安，郑炜.导管架夹桩器受力分析及液压缸数选择[J].海洋工程，2007（01）：82-87.

[2]刘胜永，郝宏伟，万晓航，等.金属切削中的摩擦数值分析[J].机械设计与制造，2007（4）：121-125.

[3]喻宣瑞，李怡，肖波.钢管桩剪力键在内河码头中的运用[J].水运工程，2019（6）：70-74.

[4]喻宣瑞，李怡，张星星，等.钢管桩中剪力键分配系数的数值模拟[J].水运工程，2019（2）：145-149+162.

[5]吴美艳，余天庆.剪力环对钢管混凝土粘结强度影响的试验[J].湖北工学院学报，2004（1）：6-8.

[6]郭银.港工钢管桩剪力键优化设计研究[D].重庆：重庆交通大学，2018.