基于有限元分析的大型拖拽絞車滾筒優化設計

，，，

(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

大型拖拽絞車作為海洋平臺、無自航能力船舶等設備移動的動力源，隨著頻繁的海上作業，海洋平臺等海上作業設備越來越大，致使拖拽絞車的牽引力需求也越來越大，拖拽絞車的主要工作機構是滾筒，滾筒的承載能力主要取決于滾筒壁厚和滾筒直徑[1- 7]。關于滾筒壁厚對承載能力的影響，有學者利用COSMOSWorks軟件進行起重機滾筒的建模，分析滾筒應力和位移的分布規律，認為傳統理論計算滾筒壁厚方法很保守，并發現單純地依靠滾筒來承受載荷，滾筒壁厚會很大。故楊明等通過在滾筒內部增加筋板，使滾筒受力更加合理，優化了整體結構，為降低滾筒制造成本提供了一定的理論基礎[9]。為此，借助于有限元分析工具，對大型拖拽絞車滾筒進行優化分析，分析縱向筋板布置形式對筒體應力的影響。

1 無內筋板滾筒受力模型分析

如圖1所示，設滾筒的直徑為D，滾筒厚度為δ，滾筒受鋼絲繩的力為F，則滾筒在鋼絲繩繞出端的壓力σ1[1]為

(1)

式中：t為鋼絲繩節距，t=1.01d。

鋼絲繩繞出滾筒的局部彎曲應力為

(2)

則滾筒在局部所受的綜合應力為

σ=σ1+σ2

(3)

圖1 滾筒基本參數

由式(1)～式(3)可見，影響滾筒應力的主要因素是鋼絲繩張力，滾筒壁厚和滾筒直徑，但在實際中，隨著鋼絲繩長度和鋼絲繩在滾筒上纏繞層數的不同，會導致滾筒的長度不同，滾筒應力也會不同，本文采用ANSYS軟件對滾筒的受力進行分析，具體步驟如下。

式(1)對滾筒兩邊進行固定。

式(2)在滾筒外徑上采用歐拉衰減原理進行鋼絲繩力加載。

所研究的滾筒其外徑為2 100 mm，鋼絲繩受力為900 kN。

2 影響滾筒承載能力因素分析

在設計拖拽絞車時，鋼絲繩的拉力作為一個輸入參數已定，鋼絲繩直徑也已經確定，根據相應規范，滾筒直徑也能確定，故滾筒壁厚成為主要的影響因素。采用ANSYS對其影響進行分析。

將proe模型導入ANSYS中，按照上面步驟加載完畢后，得到如圖2所示的滾筒應力隨滾筒壁厚變化曲線和如圖3所示的滾筒變形量隨滾筒壁厚變化曲線。從圖2和圖3可以看出，隨著滾筒壁厚的增加，滾筒的應力和變形量均減小。同時從圖2可知，應力值隨著滾筒壁厚的增減，先迅速減小，到滾筒壁厚120 mm以后，減小幅度逐漸減緩；從圖3可知，滾筒的變形量隨著滾筒壁厚的增加，先迅速減小，當滾筒壁厚到達115 mm以后，減小幅度逐漸減緩。

圖2 滾筒應力隨滾筒壁厚的變化

圖3 滾筒變形量隨滾筒壁厚的變化

3 帶內筋板滾筒承載能力分析

由以上分析可知，隨著滾筒壁厚的增加，滾筒的應力越來越小，相應的變形量也越來越小，抵抗外載拉力的性能越來越好。但是，從工藝的角度去考慮，承受如此大力的滾筒，往往采用鍛造，壁厚的增加，不僅增加了鍛造的難度，同時增加了材料成本和整個滾筒的重量。故單獨依靠增加滾筒壁厚來增加拖拽絞車的承載能力是不可取的，因此本文提出通過增加內筋板來提高滾筒的承載能力。

選取壁厚為90 mm的滾筒進行加筋板分析，按照上面相同的加載步驟，得到圖4和圖5的滾筒應力值和變形量隨縱向筋板個數的變化曲線。

圖4 滾筒應力隨縱向筋板個數的變化

圖5 滾筒變形量隨縱向筋板個數的變化

圖4和圖5分別給出了筋板厚度為30 mm時，不同縱向筋板數量與滾筒應力和變形量之間的變化曲線，其中筋板是在滾筒內部均勻布置的(比如筋板個數為4個時，筋板間角度為90°)。從圖4可以看出，增加前兩個筋板時，應力迅速減小；在筋板個數為2～10個時，滾筒應力逐漸減小緩慢；當筋板個數大于10個后，滾筒應力減小緩慢。從圖5可知，隨著筋板個數的增加，滾筒變形量基本呈線性關系減小。故可知，縱向筋板的數量可以提高滾筒的整體剛度，可以有效地減小變形。

為了分析縱向筋板厚度對滾筒承載能力的影響，本文選取縱向筋板個數為4個，均勻布置，筋板厚度從0～50 mm均勻變化下的滾筒應力和變形量變化曲線。

圖6和圖7分別給出了隨著筋板厚度變化，滾筒應力和變形量變化曲線，從圖6可以看出，當筋板厚度在0～35 mm間，滾筒應力先迅速減小，而后緩慢減?。划斀畎搴穸却笥?5 mm以后，滾筒應力基本沒有變化。

圖6 不同筋板厚度下滾筒應力的變化

圖7 不同筋板厚度下滾筒變形量的變化

從圖7可以看出，當筋板厚度在0～30 mm時，滾筒變形量先迅速減小，而后慢慢減??；當筋板厚度大于30 mm后，隨著筋板厚度的增加，滾筒變形量基本保持不變。

4 結論

對于特定工況下的滾筒，當承載能力一定時，單純增加滾筒壁厚，不能有效的改善其承載能力。

通過改變滾筒內縱向筋板數量和厚度分析其對滾筒承載能力能力的影響，發現縱向筋板數量越大，滾筒的承載能力越好，筋板厚度不是越大越好。

建議在大型滾筒的設計中，應在設計范圍內適當降低卷筒的壁厚，盡量增加縱向筋板的數量，同時縱向筋板的厚度不應過厚。

本文只分析了滾筒內縱向筋板布置形式對滾筒承載能力的影響，其他的比如橫向筋板、橫向和縱向筋板共同對滾筒承載能力的影響待進一步研究。

[1] Chang- Long, LIU Song- yong, CUI Xin- xia, et al，Study on Pick arrangement of shearer drum based on load fluctuation[J]. Journal of China University of Mining & Technology，2008(2):305- 310.

[2] LIU Songyong, Du Changlong,Zhang Jiajia, Jiang Hao. Parameters analysis of shearer drum loading performance[J]. Mining Science and Technology，2011(5):621- 624.

[3] 謝磊，祁文君，牟艷秋，等.卷取機滾筒的設計分析[J].機械工程與自動化.2010(2):111- 113.

[4] 陳美麗，梅益，劉喬英.礦井提升機滾筒結構有限元靜力及疲勞強度分析[J].煤礦機械，2012(4):95- 97.

[5] 潘明旭，王立海，宋世全，等.小型絞盤機滾筒優化設計[J].東北林業大學學報，2012(7):158- 161.

[6] 李新華，張小明，陳金亮.基于ANSYS的礦用提升機滾筒應力分析[J].煤炭機械，2012(1):87- 89.

[7] 翟慶光，聶杰，康岳偉.深海取樣絞車牽引滾筒上鋼纜張力分析[J].海洋技術，2008(2):28- 30.

[8] 羅健康，印波.起重機卷筒有限元分析及結構優化[J].機械設計與制造，2010(11):85- 186.

[9] 楊明，秦義校.大型起重機滾筒減重降耗優化設計[J].起重機運輸機械,2016(3):19- 22.