基于NX NASTRAN的錨絞機卷筒及其制動機構受力分析

李文釗

（神華黃驊港務有限責任公司，河北 滄州 061113）

0 引 言

港作拖船一般配備有1臺或2臺錨絞機，用于協助大型貨船完成靠離泊和拖航作業。錨絞機的卷筒及其制動機構是重要的承載部件，其結構設計的可靠性對于保障錨絞機和拖船安全運行而言極為關鍵[1]。某港作拖船錨絞機在實際工作中經常出現卷筒躥軸和制動轂擋板變形故障，導致主軸、軸瓦異常磨損和制動帶無法與制動轂完全貼合，進而使制動力下降。本文采用NX軟件對發生故障的某港作拖船錨絞機的卷筒及其制動機構進行三維裝配建模，利用軟件自帶的前/后處理模塊對倒拖和支持載荷工況進行有限元計算，分析故障發生的原因。

1 設備基本組成及工況

某港作拖船的錨絞機的主要結構包括卷筒、制動片、制動抱帶、銷軸、制動油缸、驅動馬達、離合器、錨鏈輪、絞盤和基座，其中卷筒由卷筒體、卷筒擋板和制動轂組成（見圖1）。制動轂兩側設有凸臺，防止制動片發生軸向移動。制動片和制動抱帶分為上段和下段2部分，其中制動抱帶的上段和下段由銷軸連接。錨絞機卷筒的容繩量為150m的φ110mm拖纜，制動片、制動抱帶及其銷軸組成其制動機構。

2 三維模型建立

本文在對研究對象進行建模和有限元分析時均選擇使用NX軟件，NX集CAD（Computer Aided Design）和CAE（Computer Aided Engineering）功能于一身，可在建模后直接完成前/后處理，快速完成分析；同步建模功能非常方便模型調整，且網格等信息同步更新。

2.1 三維裝配模型

對某港作拖船錨絞機建立卷筒及其制動機構的三維裝配模型，包括卷筒、制動片、制動抱帶和銷軸。2個卷筒擋板的外側分別均勻布置6塊肋板。卷筒制動轂兩側設有環形凸臺，截面為10mm×10mm的矩形。制動抱帶和制動片上均勻布置有銅制螺釘，為減少計算量而將其忽略不計。在NX軟件中分別對四部件建立模型，并在裝配模塊中約束相對位置關系（見圖2）。

2.2 材料屬性和網格劃分

卷筒采用的鋼材為SS400，制動抱帶和銷軸采用的鋼材為Q345，制動片采用的材料為無石棉有機摩擦材料。查閱相關資料確定卷筒及其制動機構所采用材料的屬性見表1。

表1 卷筒及其制動機構所采用材料的屬性

對各部件指派材料之后，劃分各實體網格。綜合考慮計算的準確度和計算量，采用3D四面體網格。為保證網格質量，單獨對制動轂凸臺進行處理，并通過添加網格控件來對銷孔進行細化。利用軟件自帶的網格檢查工具檢查單元質量，結果顯示無失敗單元。網格劃分完成之后，卷筒模型單元數為12380個，節點數為25061個；制動片模型單元數為2734個，節點數為6226個；制動抱帶單元數為4577個；節點數為10249個，銷軸單元數為685個，節點數為1360個（見圖3和圖4）。

圖3 卷筒模型的網格劃分

圖4 制動機構模型的網格劃分

3 有限元計算

3.1 仿真類型和約束

采用裝配體進行有限元計算分析。制動片與制動抱帶之間通過銅制螺釘固定，相對位移可忽略，接觸面的接觸類型設置為“面-面粘連”；銷軸與兩制動抱帶耳板銷孔之間的接觸類型設置為“面-面粘連”；制動轂與凸臺下表面之間的接觸類型設置為“面-面粘連”；其余接觸面的接觸類型均設置為“面-面接觸”。

在卷筒兩端軸孔處設置圓柱形約束，其中徑向自由度設為“固定”，其余設為“自由”。在制動抱帶上段的自由端設置銷軸約束。

3.2 載荷計算和施加

港作拖船錨絞機一般有2種典型工況。

1) 工況一，倒拖載荷是拖船協助貨船離泊，錨絞機卷筒制動之后通過纜繩將滿載貨船倒拖離開泊位時的負載。

2) 工況二，支持載荷是錨絞機卷筒制動之后在纜繩拉力達到破斷力時的負載。

在工況一下，纜繩的拉力為600kN（第一層纜）；在工況二下，纜繩的拉力為1176kN（第一層纜）。

在2種工況中：外力是作用在卷筒上的纜繩拉力，而具體到制動機構，需利用制動力來平衡外力；制動力是通過操作制動油缸收緊制動抱帶，使制動片與卷筒制動轂接觸而產生的。根據撓性摩擦理論，制動力的大小等于制動抱帶緊邊F1與松邊F2的差值。纜繩作用在卷筒上的力主要表現為對卷筒體表面的壓力，需關注是卷筒體的強度和變形，纜繩在不同圈數上遵從一定的衰減規律。

根據撓性摩擦理論可求出制動抱帶兩端的拉力F1和F2，從而確定制動抱帶下段耳板銷孔的拉力[2]，即

式(1)和式(2)中：F1為緊邊拉力；F2為松邊拉力；μ為摩擦因數，取0.35；φ為制動帶包角，取327°；p為制動力（即纜繩拉力）。模型中卷筒的直徑為700mm，制動抱帶的直徑為2150mm。2種工況下卷筒及其制動機構的載荷計算結果見表2。

表2 2種工況下卷筒及其制動機構的載荷計算結果 單位：kN

研究制動轂及其所在擋板的受力情況，由于卷筒與卷筒擋板是一體的，卷筒的變形情況對擋板有一定的影響。考慮卷筒纜繩拉力對制動轂所在擋板影響最大的情況，即當第一層纜繩出繩端緊鄰制動轂所在擋板一側時，選取纜繩纏繞4圈，忽略其余圈數的影響。當纜繩拉力作用在卷筒表面時，不同圈在卷筒表面產生的應力不同。第一層纜繩的衰減規律[3]可表示為

式(3)和式(4)中：σ為應力；μ1為摩擦因數，取0.15；smax為出繩端纜繩拉力；n為纜繩圈數；D為卷筒直徑；d為纜繩直徑，取110mm。2種工況下不同圈數纜繩的載荷計算結果見表3。

表3 2種工況下不同圈數纜繩的應力載荷計算結果 單位：MPa

2種工況下的載荷類型和載荷施加位置相同，只是數值有差別。在施加載荷時，對制動抱帶下段耳板銷孔面施加軸承力，方向為制動抱帶的切向。為方便施加載荷，對卷筒模型外表面進行分割，從制動轂一側開始，逐圈施加壓力載荷，施加載荷之后的模型見圖5。

圖5 施加載荷之后的模型

4 結果分析及解決方案

NX軟件中默認的NX Nastran求解器與NX建模模塊無縫集成，適合大多數結構強度計算。此處采用該求解器對模型的2種工況進行計算。孫凱等[3]和胡甫才等[4]分別對卷筒和帶式制動器的受力情況進行有限元計算，并通過試驗驗證有限元分析方法的準確性。此處采用類似計算方法，計算結果較為可信。

4.1 結果分析

經計算，2種工況下卷筒及其制動機構的應力和位移分布規律相似，各部件的最大位移和最大應力計算結果見表4。以支持載荷工況為例，最大位移和最大應力的位置見圖6～圖9。

表4 2種工況下各部件的最大位移和最大應力計算結果

圖6 制動抱帶的位移云圖

圖7 制動抱帶的應力云圖

圖8 卷筒的位移云圖

圖9 卷筒的應力云圖

對計算結果進行分析，可得出以下結論：

1) 卷筒最大應力在2種工況下均未超過材料許用應力；制動抱帶在倒拖載荷下的最大應力滿足材料的要求，但在支持載荷下超過材料許用應力，制動抱帶會發生失效變形，無法將卷筒有效制動。

2) 制動抱帶在整個圓周方向受力明顯不均，制動抱帶下段的應力明顯大于上段，在反復制動時更易疲勞損壞。同時，長期運轉會造成制動片的磨損程度不一，制動力調整難度增大。

3) 制動抱帶的載荷通過耳板銷軸傳遞，由于耳板處銷孔的接觸面積較小，加上工作時的轉動磨損，更易出現應力集中現象。

4) 制動轂及其所在卷筒擋板的變形位置可以印證制動抱帶的變形規律。卷筒的應力主要集中在筒體表面和制動轂所在卷筒擋板根部且位移量較小，而制動抱帶的作用力是造成制動轂變形的主要因素。制動轂所在卷筒擋板的肋板根部與支撐環不完全接觸，會造成應力集中。

5) 卷筒整體向制動轂一側產生位移，這與實際設備使用過程中出現的躥軸現象吻合。

4.2 解決方案

1) 在實際工作中，設備往往只在倒拖工況下運行，因此可通過制動液壓缸行程，適當降低制動力，從而減小制動轂的應力和位移。同時，設置卷筒輔助制動設施，滿足支持負載工況下的應急制動需求。

2) 日常檢查保養的重點是對制動抱帶耳板和銷孔的狀況進行察看，發現缺陷時及時更換。

3) 在基座上的適當位置處設置限位裝置，限制卷筒向制動抱帶一側的軸向位移。

4) 針對制動轂變形量較大的問題，可在制動轂與擋板連接處增設局部肋板加強支撐，同時加大支撐環與肋板根部的接觸面積，減輕應力集中現象，改造之后的卷筒模型見圖10。

圖10 改造之后的卷筒模型

5 結 語

本文采用NX軟件對發生故障的某港作拖船錨絞機的卷筒及其制動機構進行了有限元計算分析。結果顯示，在支持負載工況下，制動機構會變形失效，軟件分析結論與實船故障情況基本吻合。此外，針對計算結果中的危險點提出了解決方案，對港作拖船錨絞機的設計和使用具有指導意義。