雙層復合材料卷筒技術*

王子賢 彭 奇 夏 冰 陸忠華

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

隨著海洋工程和超大型深水吊裝工程行業(yè)的發(fā)展，海洋工程裝備領域的全回轉打樁機、大型浮吊、超大型深水絞車等裝備對驅動絞車的需求向著大拉力、大容繩量的方向發(fā)展。傳統常規(guī)形式的單殼體卷筒受到目前材料和制作能力等限制，制作難度越來越高，需要一種從受力方式和結構形式上作出改變的全新的卷筒設計形式，從而滿足未來起重行業(yè)的需求。

2 大拉力、大容繩量絞車的類型

海洋工程應用的驅動絞車主要特點是：驅動拉力大、鋼絲繩容繩量大。常規(guī)的單層螺旋槽形式卷筒由于空間和體積的限制，基本不能滿足其要求。目前此類驅動絞車一般都采用多層卷繞卷筒形式。根據排繩機理可以分為排繩器形式絞車和Lebus折線卷筒形式絞車。

2.1 排繩器形式絞車

對排繩質量要求不高的門座起重機、錨絞車等普遍采用排繩器形式絞車，其經典結構形式見圖1。

1.電機 2.減速箱 3.卷筒 4.排繩器圖1 排繩器形式絞車

這種形式的絞車排繩方式為：卷筒運動信息通過鏈條傳遞到排繩器上，排繩器內部的蝸桿機構將排繩器橫向運動速度和卷筒轉速相配合，從而實現排繩器機械排繩。由于鋼絲繩往復過程中，相鄰層的旋向相反，使鋼絲繩在卷筒上一直處于斜線交叉的不穩(wěn)定狀態(tài)，排繩效果不佳。即便排繩外觀看起來很整齊，也會因為鋼絲繩相互嚴重擠壓，容易出現鋼絲繩斷絲斷股等損傷。

2.2 Lebus折線卷筒形式絞車

Lebus折線卷筒形式絞車應用于對排繩穩(wěn)定性要求較高的大型全回轉打樁機、大型浮吊、超深海絞車等領域，其經典結構形式見圖2。

1.電機 2.減速箱 3.卷筒 4.Lebus折線卷筒皮圖2 Lebus折線卷筒絞車

Lebus折線卷筒鋼絲繩卷繞1圈分為直線段和折線段兩部分。直線段范圍內有繩槽固定穩(wěn)定排繩，折線段范圍內實現鋼絲繩節(jié)距相位變化。通過穩(wěn)定排繩的直線段兩端拉緊折線交叉段，從而實現鋼絲繩在整個卷筒上的穩(wěn)定排繩。因此Lebus折線卷筒能較好地解決多層卷繞卷筒排繩問題。相對于機械排繩裝置Lebus折線卷筒不需要輔助的機械裝置，僅依靠自身形狀實現自動排繩，有免維護、穩(wěn)定性、經濟性好的特點。

3 絞車卷筒的強度計算

鋼絲繩在卷筒上卷繞時，由于卷筒傳遞扭矩在筒壁上受到的扭轉應力較小，計算筒壁強度時可不予考慮；卷筒的主要受力為鋼絲繩拉力箍在卷筒的外壁上的箍緊力。箍緊力由外至內箍緊卷筒，形成卷筒壁厚截面上的壓縮應力[1](見圖3)。

圖3 卷筒受力示意

第2層以上的鋼絲繩箍緊力都是通過下層繩圈傳遞到卷筒筒壁上。假設已纏繞的繩圈張力保持不變，則每層鋼絲繩的箍緊力引起的卷筒筒壁壓應力應該相同。然而實際上多層纏繞時，隨著纏繞繩圈的增多，底層與卷筒壁貼近的鋼絲繩由于卷筒的附加變形而產生松弛，繩圈纏繞直徑也隨卷筒變小。由此可知鋼絲繩卷繞過程中由內繩圈到外繩圈，松弛效應層層向外傳遞。隨著后繞上的鋼絲繩的增加，已纏繞繩圈的松弛效應也增加，因此每層繩傳遞到卷筒壁的實際箍緊力都比鋼絲繩箍緊力直接疊加要小。

除卷筒變形外，引起鋼絲繩箍緊力向下層傳遞逐層減小的原因，還有鋼絲繩的橫向變形導致中心直徑減小，進而導致鋼絲繩圈變形減少，從而使傳遞到卷筒壁的箍緊力進一步減小。鋼絲繩卷繞層數增加時，卷筒壓應力增加幅度逐漸減小(見圖4)。

圖4 卷筒壁壓應力與卷繞層數關系

除去上述因素，多層卷繞鋼絲繩箍緊力最終傳遞到卷筒壁的數值還與鋼絲繩彈性模量、卷筒結構等因素有關，影響因素比較復雜，所以國內外工程領域將多層卷筒受力疊加因素簡化為應力減少系數[2]，使卷筒壁強度計算簡單化。

3.1 多層卷筒國內計算方法

鋼絲繩受拉力作用與卷筒外壁接觸，同時產生壓縮、彎曲、扭轉剪切應力，主要受力為鋼絲繩向下壓縮產生的應力，卷筒壁的最大應力出現在卷筒內表面的壓應力，壓應力σc按如下公式計算[3]：

(1)

式中，σc為卷筒壁壓應力，MPa；Smax為鋼絲繩最大靜拉力，N；δ為卷筒壁厚，mm；p為繩槽節(jié)距，mm；A1為應力減少系數，在繩圈拉力作用下，筒壁產生彈性變形，使繩圈緊度降低，鋼絲繩拉力減小，一般取A1=0.75；A2為多層卷繞系數，見表1；[σc] 為卷筒壁許用壓應力，MPa，對于鋼[σc]=σs/2。

表1 多層卷繞系數

由公式(1)反推得到符合強度需求的卷筒壁厚計算公式為：

(2)

3.2 多層卷筒國外計算方法

國外卷筒常用的方法為DNV規(guī)范卷筒強度計算方式，計算公式為：

(3)

式中，σh為卷筒壁壓應力，MPa;S為鋼絲繩最大靜拉力，N;tav為卷筒平均壁厚，mm;p為繩槽節(jié)距，mm;C為應力系數，取值為1.0(1層)、1.75(大于等于2層)；[σh]為許用卷筒壁壓應力，MPa。

由公式(3)反推得到符合強度需求的卷筒壁厚計算公式為：

(4)

4 雙層復合材料卷筒對比計算

分析式(2)、(4)可知，影響卷筒壁厚因素為：①材料，在材料一定的情況下材料的許用應力確定；②卷筒特性，卷筒層數和繩徑特性確定的情況下，卷筒節(jié)距p和應力系數A1A2(C)確定；③卷筒受力，卷筒壁厚隨著受力S增大而增大。鑒于目前行業(yè)對絞車拉力的需求越來越大，卷筒壁厚也隨之增大。受基礎工業(yè)能力的限制，對應的厚板折卷能力到達了瓶頸。

于是提出一種新的卷筒形式，將按式(2)、(4)計算出來需要的卷筒壁厚分為兩層結構，兩層卷筒殼體之間采用流體微膨脹材料填充其中(見圖5)。材料凝固后，密切接觸使外層殼體在受力變形后能將應力傳遞給內層殼體。受力僅計算內外兩層殼體，中間傳力層僅起傳力作用。

1.外層殼體 2.傳力層 3.內層殼體 4.法蘭板圖5 雙層復合材料卷筒結構

雙層復合材料卷筒壁厚為：

(5)

式中，n=2，為卷筒殼體層數；其余系數同公式(3)。

5 算例及模型應力分析

根據上述分析，以國內某臺5 000 t浮吊變幅絞車為例進行計算。結構強度理論計算采用DNV規(guī)范的計算方式，絞車相關參數見表2。

表2 算例絞車參數

按傳統單層殼體卷筒設計方案時，卷筒設計壁厚如式(6)所示，為88.6 mm，圓整后取90 mm。

=88.6 mm

(6)

式中，[σh]=0.85σc=380×0.85=323 MPa(根據DNV規(guī)范)。

鋼絲繩引起卷筒彎曲應力為：

=4.72 MPa

(7)

鋼絲繩引起扭轉剪應力為：

=8.07 MPa

(8)

根據第三強度理論，式(7)、(8)中外載鋼絲繩引起卷筒彎曲和扭轉剪切的復合應力為：

(9)

由于外載鋼絲繩引起卷筒彎曲和扭轉剪切的復合應力在卷筒壁壓應力的占比僅為σt/[σh]=15/323=0.046，故在如下雙層復合材料卷筒應力對比中，為了簡化對比過程，僅考慮鋼絲繩在卷筒上卷繞引起的壓應力，彎曲應力和扭轉剪應力不考慮。

設計為雙層復合材料卷筒時，卷筒壁厚為:

t≥tav/n=88.6/2=44.3 mm

(10)

為了檢驗上述理論計算中兩種卷筒設計的真實應力分布狀況，使用有限元分析軟件對上述兩種設計方案分別建立有限元模型進行應力計算和分析，進而對兩種設計方案的有限元應力結果和理論計算許用應力結果進行分析對比。

有限元采用三維實體單元建立計算模型，由于理論計算只計算卷筒中殼體部分的受力情況，所以模型中僅建立卷筒殼體模型，不包含法蘭板部分。雙層復合材料卷筒方案模型中，由于中間傳力層處于3向受壓狀態(tài)，不會壓潰，僅考慮其傳力作用，模型采用多片結構形式。計算時在與卷筒殼體斷面相連筒體處施加X、Y和Z3個方向的平動約束[4]；加載在模型上的載荷為根據式(3)換算的等效載荷，數值大小為2CS(按整圈計算)。

按算例中計算出的單殼體卷筒壁厚建模，分析獲得模型應力最大值為332 MPa,比理論計算式(6)中采用的許用應力323 MPa值略高。考慮到有限元計算模型會有一定應力集中，有限元模型應力和理論公式計算可以認為是吻合的。

按算例中計算出的雙層復合材料卷筒壁厚建立模型，模型中最大應力為286 MPa，比許用應力323 MPa低，更安全。模型應力比理論計算應力低是因為設計理念上兩層卷筒殼體之間的傳力層只傳遞載荷，并不需要承受壓應力載荷；實際模型中間傳力層采用混凝土材質，模型傳力層有一定的剛性，還是承受了部分載荷，故而模型顯示應力比許用應力低。理論計算中采用僅考慮傳力作用的計算方式更加安全。

6 結語

隨著超大型起重行業(yè)的發(fā)展，對起重絞車的牽引力和容繩量要求都越來越大，從而提出了雙層復合材料卷筒的設計理念，改變了傳統卷筒為了滿足牽引力和容繩量，只能簡單增加卷筒壁厚的設計方式。從結構形式入手：將卷筒結構形式方面由傳統的單層殼體結構卷筒革新為雙層殼體結構卷筒，內外2層結構之間通過微膨脹材料傳力。該設計實現了卷筒殼體壁厚減半的效果，降低制作難度，滿足浮吊、打樁機等工程領域的需求，同時也可為類似受力結構的設計提供借鑒。