滾輪裝置的研制

某海工船單點(diǎn)系泊系統(tǒng)采用SBM的設(shè)計(jì)，軟鋼臂結(jié)構(gòu)的頭部為圓形浮筒，尾部為長(zhǎng)圓筒，中間有2個(gè)連接臂，單點(diǎn)系統(tǒng)與船舶通過鋼絲繩連接。因其回轉(zhuǎn)裝置的大軸承經(jīng)檢測(cè)徑向和軸向間隙超過磨損極限，需更換新回轉(zhuǎn)大軸承和相關(guān)的密封件。因?yàn)檩S承換新時(shí)必須使單點(diǎn)系泊裝置中的軸承處于水平位置，這就要求將裝有軸承的浮筒部分提升約15m，此時(shí)軸承中心在水平方向向后移動(dòng)約4m。

提升機(jī)構(gòu)主要由鋼絲繩千斤頂、2個(gè)支撐架、1根水平橫梁和8組滾輪裝置組成。水平橫梁兩端各裝4組滾輪裝置，提升過程中水平橫梁會(huì)沿船長(zhǎng)方向緩慢向后移動(dòng)，就需要使用體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大的滾輪移動(dòng)裝置。

海爾曼公司生產(chǎn)的高負(fù)載滾輪，承載量1～1000t，性能可靠，能根據(jù)客戶要求進(jìn)行特殊定制，在世界上有許多著名的應(yīng)用案例。考慮到定購(gòu)滾輪裝置價(jià)格昂貴，定購(gòu)時(shí)間長(zhǎng)，基于成本的考慮，我們決定自制滾輪裝置。

1 設(shè)計(jì)的相關(guān)考慮

1)滾輪裝置的負(fù)載。單點(diǎn)系泊裝置總質(zhì)量約2020t，提升所需約520t，由8套滾輪裝置承載，每套滾輪裝置承載約65 t。每套滾輪裝置設(shè)計(jì)最少承載滾子數(shù)為7個(gè)，單個(gè)滾子承載為9.28 t，考慮提升和下降過程的動(dòng)載因素，初定單個(gè)滾子承載為10t，則單套滾輪裝置可承載70t。

2)材料的選用。與滾子接觸的承載支撐板，考慮其強(qiáng)度和耐磨性的要求，應(yīng)選取強(qiáng)度高、焊接性好、硬度適中的材料。滾子是本裝置的主要承載件，考慮其強(qiáng)度要求高，又要便于加工和采購(gòu)，可采用高強(qiáng)度的合金鋼鍛件。

3)滾輪裝置的加工。與滾子接觸的承載支撐板，寬度達(dá)270mm，初步設(shè)計(jì)時(shí)要求焊接后加工底部的接觸面，且兩端精加工后應(yīng)為圓弧面，考慮到焊接后加工兩端圓弧比較困難，后來施工時(shí)改為用線切割加工兩端圓弧，組裝焊接后只加工底平面，兩端圓弧最后由鉗工修磨光滑過渡即可。滾子的外形，為避免出現(xiàn)接觸應(yīng)力集中的問題，按軸承滾子設(shè)計(jì)的要求和相關(guān)論文的介紹，采用對(duì)數(shù)母線的滾子性能最理想，考慮到加工不便，通過對(duì)空心滾子的優(yōu)化設(shè)計(jì)，兩端修磨光滑過渡。

2 滾子與平板接觸的相關(guān)理論

2.1 實(shí)心滾子

實(shí)心滾子與平板接觸的情況，理論上可認(rèn)為是圓柱體和平面接觸，變形前二者沿一條直線接觸，受壓力F后，接觸處發(fā)生了彈性變形，接觸線變成寬度為2b的矩形面，由赫茲理論公式得:

接觸半寬

接觸應(yīng)力

式中:E1、E2為材料的彈性模量;v1、v2為材料的泊松比;D為滾子的直徑;L為滾子的有效接觸長(zhǎng)度。

2.2 空心滾子

采用空心滾子時(shí)，因空心滾子不是半空間體，其與平板接觸的情況不再適用赫茲理論。空心滾子在受力情況下比實(shí)心滾子變形增大，選取合適的空心度，可顯著降低接觸應(yīng)力和等效應(yīng)力。

3 有限元求解

3.1 相關(guān)參數(shù)設(shè)定

選取網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)必須小于接觸半寬b的50%，才可在有限元計(jì)算中取得滿意的效果，否則有限元計(jì)算精度太低，無法得到有意義的結(jié)果。

實(shí)際選取單個(gè)滾子直徑65mm，內(nèi)孔24mm，有效接觸長(zhǎng)度116mm。根據(jù)實(shí)心滾子的相關(guān)公式，計(jì)算得到的滾子接觸半寬b為0.58mm，接觸應(yīng)力為1020MPa，根據(jù)計(jì)算得到的接觸半寬b，這里選取網(wǎng)格單元軸向邊長(zhǎng)為0.4mm，寬度方向邊長(zhǎng)＜0.25mm。

考慮到在網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)很小的情況下，網(wǎng)格數(shù)量急劇增加，給計(jì)算工作帶來較大的困難，建立模型時(shí)只取單個(gè)滾子的1/4，網(wǎng)格模型由342002個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，有204288個(gè)單元。在模型的剖分處施加對(duì)稱約束，對(duì)底板施加固定約束，對(duì)耐磨板施加均布載荷。載荷包括了滾子和耐磨板的自重、提升裝置工作過程中通過耐磨板給滾子施加的壓力。

3.2 計(jì)算結(jié)果

選用適合的滾子和耐磨板的材料，保證等效應(yīng)力和表面接觸應(yīng)力均有一定的安全裕度，滾輪部件的使用應(yīng)是安全可靠的。計(jì)算結(jié)果為滾子的最大接觸應(yīng)力為905MPa，等效應(yīng)力為468MPa，耐磨板的等效應(yīng)力為508MPa。

4 結(jié)束語

實(shí)際使用過程中，采用良好的潤(rùn)滑措施，滾輪裝置工作過程未發(fā)現(xiàn)異常，順利完成單點(diǎn)系泊裝置的提升和下降操作，確保了回轉(zhuǎn)大軸承的順利換新。使用后檢查滾子和相應(yīng)的接觸面，未發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重變形和磨損的情況，證明設(shè)計(jì)是可行的。