反鏟挖泥船定位鋼樁提升鋼絲繩繩頭的卷筒固定方案

肖　博　郭志勇　徐長(zhǎng)生

1　中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司　2　武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院

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反鏟挖泥船定位鋼樁提升鋼絲繩繩頭的卷筒固定方案

肖博1郭志勇1徐長(zhǎng)生2

1中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司2武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院

為改善定位鋼樁提升鋼絲繩的受力狀況，提出了將定位鋼樁提升鋼絲繩經(jīng)卷繞卷筒幾圈后，再將其繩頭固定的方案，并進(jìn)行了理論分析。分析和實(shí)踐案例表明，改進(jìn)方案能夠顯著改善鋼絲繩繩頭的受力狀況，為海洋工程裝備中類似機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考。

反鏟挖泥船； 定位鋼樁； 鋼絲繩； 繩頭固定； 卷筒

1　前言

反鏟挖泥船在施工時(shí)，3根定位鋼樁上的絞車提升系統(tǒng)會(huì)將船提升一定的高度，使全船處于半浮狀態(tài)，這樣可以顯著減少風(fēng)、浪、流對(duì)反鏟機(jī)挖泥作業(yè)的影響，從而提高反鏟挖泥船的挖泥精度和效率，如圖1所示。

圖1　反鏟挖泥船施工原理

這樣的施工方式?jīng)Q定了定位鋼樁上的絞車提升系統(tǒng)的提升鋼絲繩需要承受很大的提船力，并且在環(huán)境載荷和反鏟機(jī)動(dòng)載荷的作用下，提升鋼絲繩還要承受周期性動(dòng)載荷，工況十分惡劣。以國(guó)內(nèi)某大型反鏟挖泥船為例，該船鋼絲繩的繩頭固定型式采用普通的壓頭法，在實(shí)際施工中，繩頭經(jīng)常出現(xiàn)斷絲問題，為此需要頻繁裁截并重新壓頭固定，嚴(yán)重影響了全船的施工效率。

經(jīng)調(diào)查分析，普通壓頭法會(huì)造成鋼絲繩在繩頭部位的應(yīng)力集中，當(dāng)鋼絲繩承受過(guò)大載荷時(shí)，很容易在繩頭部位失效破壞。在不換用更高規(guī)格鋼絲繩的情況下，本文提出了將定位鋼樁提升鋼絲繩經(jīng)卷繞卷筒幾圈后再將其繩頭固定的改進(jìn)方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了理論分析。

2　提升鋼絲繩繩頭的卷筒固定型式

2.1提升鋼絲繩受力工況

反鏟船在“挖掘-卸載”的一個(gè)工作周期內(nèi)，提升鋼絲繩承受的動(dòng)載荷(見圖2)如下：

圖2　鋼絲繩承受的周期動(dòng)載荷

定位鋼樁上的絞車提升系統(tǒng)提升鋼絲繩采用高強(qiáng)度鋼絲繩，其抗拉強(qiáng)度為1 960 MPa，破斷拉力4 114 kN。鋼絲繩繩頭采用普通壓頭法，繩頭的應(yīng)力集中會(huì)使鋼絲繩強(qiáng)度降低約20%，《歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的靜載鋼絲繩許用最小安全系數(shù)是3.0，考慮到動(dòng)載荷的影響，則安全系數(shù)至少需大于5.0，按照鋼絲繩的極限載荷分析，鋼絲繩繩頭安全性不足。

2.2鋼絲繩繩頭的卷筒固定型式

為了改善鋼絲繩繩頭的受力，在繩尾端設(shè)置一個(gè)固定卷筒，鋼絲繩在卷筒上卷繞3～5圈后，再引出固定(見圖3)。本例中，鋼絲繩直徑?68 mm，設(shè)計(jì)固定卷筒直徑800 mm，長(zhǎng)度380 mm，卷筒壁厚90 mm。

圖3　卷筒繩頭型式

2.3改進(jìn)型式的性能

提升鋼絲繩經(jīng)卷繞卷筒幾圈后再將其繩頭固定的方案的性能類似于船用帶纜樁，都是利用一部分摩擦阻力來(lái)固定繩索。按照絞車卷筒受力的理論，鋼絲繩受外拉力F拉緊后，在和卷筒的接觸面上會(huì)受到周向摩擦阻力，由于摩擦阻力的牽阻作用，鋼絲繩的拉力F會(huì)逐漸減小，從而達(dá)到降低鋼絲繩繩頭拉力，減小繩頭應(yīng)力集中的目的。

鋼絲繩拉力F滿足柔韌體摩擦的歐拉公式[1]：

式中，μ為鋼絲繩和卷筒之間的摩擦系數(shù)(取μ=0.1)；θ為鋼絲繩在卷筒上的包角；Fin為鋼絲繩入繩拉力。

根據(jù)公式，鋼絲繩拉力F是包角θ的函數(shù)，其分布呈指數(shù)遞減趨勢(shì)見圖4。

圖4　鋼絲繩拉力F分布

在此例中，按照入繩拉力Fin=1 330 kN，鋼絲繩在卷筒上卷繞3圈計(jì)算，則出繩拉力為：

可見，鋼絲繩在卷筒上卷繞3～5圈后再將繩頭固定的方法，顯著降低了繩頭的拉力，從而提高了鋼絲繩繩頭的安全裕量。

3　固定卷筒結(jié)構(gòu)分析

3.1卷筒受力分析

為保證全船的安全性，還需要對(duì)固定卷筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性校核。若以卷筒為分析對(duì)象，其直接的受力是徑向壓力T和周向摩擦力f；若以鋼絲繩為分析對(duì)象，除了受上述徑向壓力、周向摩擦力的反力外，還受到繩端的進(jìn)出拉力Fin和Fout，并維持力系平衡，則矢量關(guān)系為：

由微分方程可知，卷筒受到的徑向壓力和周向摩擦力分別為[2]：

3.2卷筒強(qiáng)度分析

徑向壓力T及周向摩擦力f會(huì)造成卷筒上的壓應(yīng)力和扭矩切應(yīng)力。并且，由于徑向壓力T值和周向摩擦力f值不均分布，卷筒還會(huì)有彎曲應(yīng)力。

本例中，因卷筒設(shè)計(jì)長(zhǎng)度較短，可以忽略彎曲應(yīng)力影響；由理論分析可知，周向摩擦力相對(duì)徑向壓力也是小量，故扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力也很小。卷筒結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)力是壓應(yīng)力。

根據(jù)厚壁圓筒理論[3]，最大應(yīng)力出現(xiàn)在筒壁內(nèi)側(cè)，且在在鋼絲繩的入繩處，應(yīng)力值最大。

對(duì)卷筒進(jìn)行壓應(yīng)力校核，對(duì)厚壁圓筒，當(dāng)只受到外壓力P0時(shí)，在壁厚方向的應(yīng)力分布如圖5所示，危險(xiǎn)點(diǎn)出現(xiàn)在圓筒內(nèi)壁處，其最大應(yīng)力分量為：

其中，K為卷筒外內(nèi)徑比值，即K=R0/Ri。

對(duì)卷筒而言，因?yàn)閺较驂毫是逐漸減小的，所以還需要乘以應(yīng)力減小系數(shù)A1，按照第三強(qiáng)度理論得：

代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得卷筒的最大等效應(yīng)力σⅢ=197 MPa。

圖5　受外壓厚壁圓筒應(yīng)力分布

3.3卷筒有限元分析

由前述理論分析可知，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力都是小量，有限元計(jì)算考慮的主要載荷仍然是徑向壓力T。為便于加載，將徑向壓力T以π/4為小段離散化，計(jì)算每π/4小段內(nèi)的壓力均值：

設(shè)鋼絲繩直徑d，則每π/4內(nèi)的壓強(qiáng)值：

建立有限元模型并加載分析，最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋼絲繩開始繞進(jìn)時(shí)的卷筒內(nèi)側(cè)[4](見圖6)，其值為181 MPa，與理論分析結(jié)論基本一致，且在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

圖6　固定卷筒有限元分析結(jié)果

4　結(jié)語(yǔ)

在重型裝備中，壓頭法是鋼絲繩繩頭固定的常用型式。但在鋼絲繩受載荷較大情況下，繩頭的應(yīng)力集中問題應(yīng)引起足夠重視。本文提出的將定位鋼樁提升鋼絲繩經(jīng)卷繞卷筒幾圈后再將其繩頭固定的改進(jìn)方案，經(jīng)理論分析和實(shí)踐案例應(yīng)用證明，能夠顯著改善鋼絲繩繩頭的受力狀況，可為海洋工程裝備中類似機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

[1]舒雙元.卷筒的有限元分析計(jì)算[J].紅水河,1999(4):55-57.

[2]張曉川,陳定方,肖金生.250t升船機(jī)提升卷筒結(jié)構(gòu)分析[J].交通與計(jì)算機(jī),1996(4):20-23.

[3]成大先等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:155.

[4]張質(zhì)文等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵道工業(yè)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，天津市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)睦寧路14號(hào)