船用LNG裝卸臂旋轉接頭滾珠數量優化研究

范 旭

船用LNG裝卸臂旋轉接頭滾珠數量優化研究

范 旭

（中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300452）

旋轉接頭用于實現船用LNG裝卸臂低溫管路系統的旋轉動態密封，是船用LNG裝卸臂的核心部件。本文基于Abaqus有限元軟件對LNG裝卸臂旋轉接頭整體進行靜力學承載仿真，分別針對雙排滾道滾珠數目146、120、100、80、60進行仿真計算。結果表明上下排滾珠的最大切應力和最大等效應力隨滾珠數目的增加先減小后增大，最佳滾珠數目為120。最后根據滾珠的最大接觸應力與最大切應力之間的關系，總結針對旋轉接頭滾珠應力的數值模型。

LNG 旋轉接頭 Abaqus 滾珠數目 數值模型

0 引言

為響應國家能源結構升級和環保要求，我國的天然氣需求將越來越大，必然伴隨著大量LNG輸送。LNG輸送設備優化成為關注的重點[1]-[4]。關鍵設備之一是LNG裝卸臂，旋轉接頭是其核心[5]，而其中的滾珠卻是旋轉接頭易損壞部件

雷凡帥等[7]研究了LNG裝車臂低溫旋轉接頭存在關鍵靜密封件普遍嚴重損毀等突出問題，提出了滾珠是旋轉接頭的易損傷零件。嚴宇等[6]對旋轉接頭整體結構尤其是旋轉接頭密封裝置和內圈結構進行設計，保障旋轉接頭使用效果和使用壽命。Thanh Phong Dao等[9]采用為剛體模型和虛擬工作方法對柔性機構的柔性旋轉關節或柔性鉸鏈進行運動學和動力學設計和分析。Manfred等[10]提出了可以適用于聯合設計和負載的傳輸的高大的人形機器人一種新的離合器旋轉接頭。H. Takahashi 等[11]提供一種旋轉接頭是專為一個最小運行成本的低溫制冷劑傳輸細節。接頭具有一系列的波紋管式機械密封隔離傳輸通道。廖祥林[12]研究了風力發電機組變槳軸承結構參數與滾道應力之間關系，建立了不同結構參數的軸承滾道應力分析有限元模型，分析了軸承初始接觸角、溝曲率半徑系數、滾道排距、鋼球直徑與數量對最大滾道接觸應力、最大切應力和最大等效應力的影響。羅繼偉等[13]人對滾動軸承的力學分析進行了研究，并取得了一些理論，這些都為滾動軸承的力學理論提供了很大的參考價值，同時也為工程實踐提供了一定的借鑒意義。然而，目前關于旋轉接頭的研究分析，還存在一些不足，具體表現在: 1)力學模型不準確。由于旋轉接頭內部結構復雜，零部件較多，用三維模型計算工作量較大，因此此前一些研究都是對單一零部件進行分析；2）還未有人針對LNG裝卸臂中旋轉接頭滾珠數量問題進行研究，大多研究方向都在其密封性能。3）現有旋轉接頭數量的確定參照依據是ISO281標準，盡管適用于滾動軸承，但對于旋轉接頭不具有針對性。

本文針對旋轉接頭在軸向單一載荷、復合載荷兩種力學工況下，利用Abaqus有限元軟件進行模擬仿真，針對雙排滾道滾珠數目146、120、100、80、60進行仿真計算對滾珠數目進行研究，并且探究了滾珠數目與雙排滾珠最大等效應力，最大切應力等力學特征之間的數值關系，可以為LNG旋轉接頭的結構優化設計提供參考。

1 旋轉接頭簡介

旋轉接頭是LNG裝卸臂的核心部件，被喻為整臺裝卸臂的“心臟”，旋轉接頭結構如圖。旋轉接頭部件包含內圈法蘭、外圈法蘭、內圈Ⅰ、內圈Ⅱ、外圈、若干滾珠及螺栓。其中外圈法蘭通過24個螺栓與外圈固定，內圈法蘭通過24個螺栓與含滾珠軌道的內圈Ⅱ連接固定，內圈Ⅰ與外圈法蘭和內圈法蘭間通過凹槽密封圈密封，內圈Ⅰ與內圈Ⅱ之間采用焊接固定，內圈Ⅱ和外圈上分別有雙列滾珠滾道，內圈Ⅱ和外圈雙列滾道間均勻分布滾珠146個。

圖1 LNG旋轉接頭結構圖

旋轉接頭是實現船用LNG裝卸臂與船體六自由度運動對接的關鍵，每臺裝卸臂會安裝6個旋轉接頭共同構成裝卸臂6自由度轉動對接體系。旋轉接頭外圈法蘭上部與外部管道焊接，內圈法蘭下部與外部管道焊接，內外法蘭與內圈Ⅰ共同形成LNG輸送流體流通通道。工作過程中，旋轉接頭受到軸向力、徑向力、彎矩和LNG流體內壓作用，受力工況復雜，同時，隨LNG裝卸臂不同作業動作，軸向力會在拉壓載荷上轉化，徑向力、彎矩的大小方向也會隨著發生變化。

2 優化分析方案

2.1 傳統滾珠分析理論

2.1.1額定動載荷計算公式

Lundberg-Palmgren 理論認為軸承滾道剝落起始于次表面裂紋，而最大正交切應力是軸承滾道初始疲勞裂紋產生的原因。目前滾珠所用疲勞計算方法是ISO281 標準壽命計算方法，該方法基于Lundberg-Palmgren 理論，其具體計算公式的如下：

球軸承基本額定動載荷為：

2.1.2滾珠數量

旋轉接頭屬于非標件，因此其滾珠數量的確定無法參照其他軸承標準，而根據額定動載荷公式中，滾道中的滾珠數量越多，額定動載荷也越好，故原滾珠數量計算如下：

圖2 旋轉接頭內圈尺寸圖

n為單排滾道中滾珠數量，R為滾道半徑，D為滾珠直徑。由于旋轉接頭中含有兩條滾珠滾道，故總數量為：

N為旋轉接頭中滾珠總數量。根據實際安裝情況，最后確定滾珠最大數量為146。

2.2 網格劃分

由于旋轉接頭結構復雜，在有限元計算時涉及到力的傳遞，無法僅僅以滾珠為目標模型，故采用ABAQUS軟件對旋轉接頭整體進行靜力學仿真。部件包含一個外法蘭、一個外圈、146顆滾珠、一個內圈、一個內法蘭及48顆螺栓，有限元仿真時，需要對各個部件獨立劃分網格、定義部件間相互作用、設置載荷和邊界等。

部件采用六面體網格劃分。網格劃分時，先對各部件進行分區，嘗試不同分區方法使各部件能夠采用六面體離散掃掠劃分網格。選擇網格單元類型C3D8R，單元屬性為三維實體，每個單元含8個節點，采用一次縮減積分算法。該單元類型適用于復雜高度非線性接觸問題的求解。全模型共劃分網格單元1,725,527個，各部件網格劃分如圖1。

圖1 部件及整體網格劃分

2.3 相互作用設置

ABAQUS會在接觸主控面和從屬面的節點上建立相應的方程，節點位置取決于面的離散方法。本模型中各關鍵部件的劃分網格很細，能很好的反映接觸面形狀，此時采用接觸面的離散方法采用應力和接觸面法向壓力計算精度更高的面對面離散。

在接觸跟蹤方法上，本模型對不同接觸對采用不同方式。針對雙列滾珠滾道接觸，設置不連續精細網格劃分的滾珠表面作為從屬面，滾道表面作為主控面，接觸跟蹤方式采用小滑移，設置容差0.2，其余可能接觸采用有限滑移，節點表面調整采用只為調整到刪除過盈。

在旋轉接頭穩定承壓時，滾珠滾道間的靜摩擦力是存在的，模擬真實的摩擦行為可能是非常困難的，因此在默認情況下，ABAQUS使用一個允許“彈性滑動”的罰摩擦公式。“彈性滑動”是指表面粘結在一起時所發生的小量的相對運動。ABAQUS會自動選擇罰剛度，從而這個允許的“彈性滑動”的滑動值只有單元特征長度非常小的部分那么大。罰摩擦公式適用于對大多數問題，其中包括大部分金屬成型問題。由此設置接觸屬性為切向有摩擦，根據實際滾珠滾道有潤滑液，摩擦系數采用0.1。接觸的法向行為選擇為“硬接觸”，該方法在計算過程中限制了可能發生的穿透現象，但接觸判定從接觸到分開時，接觸壓力會發生劇烈變化，導致接觸計算很難收斂。同時螺栓與法蘭及內外圈的連接設置為綁定。

2.4 載荷設置

整體校核，外圈法蘭與管道焊接面為完全固定載荷，內法蘭上部與管道焊接截面上施加荷載。

其中，軸向力為壓載荷，受力面為內法蘭上部與管道焊接截面；徑向力和彎矩施加在內法蘭上部與管道焊接環形截面中心。整體受力示意如圖2。

3 滾珠數目優化設計

3.1 切應力力學接觸模型

在一些研究中發現，滾動軸承在承受載荷后其表面出現疲勞起源于受力表面下面的一些點，而根據赫茲接觸理論無法準確的計算，因此需要對次表面應力與疲勞之間的關系，一些研究者發現出現疲勞的原因是靜載荷作用下最大剪切力引起的，該最大剪切力位于接觸表面以下。因在z軸上滾動軸承的接觸應力達到最大值，因此最大剪切力也在z軸上。在z軸方向上任意深度的各主應力計算式為:

在確定各主應力的值后，可依據Mohr圓定律得出在Z軸上的最大切應力為：

圖5 滾珠數目146的下排滾珠應力結果

3.2 單一載荷下力學分析

在160KN軸向力載荷下，只改變滾珠的數目，將滾珠依次設為146、120、100、80、60個，其余保持不變，計算模型，模擬計算結果。這里只展示滾珠數目為146時的單個滾珠應力分布狀況，如圖6所示。

圖6 上下排滾珠最大應力值隨滾珠數目變化

模擬146、120、100、80、60滾珠情況下得到滾道最大接觸應力值、最大切應力值、最大等效應力值隨鋼球數量的變化如圖6（a）所示。上下排滾珠的最大切應力隨滾珠數目變化的關系如圖6（b）所示。

由圖6（a）可知，其他條件一定，隨著鋼球數量的增加，上排滾珠最大接觸應力減小且最小值約占最大值的25.3%，下排滾珠最大接觸應力也減小且上排滾珠的最大接觸應力約為下排滾珠的最大接觸應力的93.99%，上下排滾道最大接觸載荷隨鋼球數量的增加而減小。上下排滾珠的最大等效應力也隨著滾珠數目增加減小。

由圖6（a）、圖6（b）可知滾珠的最大等效應力和最大切應力都位于上排滾珠，最大接觸應力位于下排滾珠。上下排滾道最大接觸應力、最大等效應力均隨著鋼球數目增加而減小，上下排滾珠的最大切應力先減小后增大。考慮最大接觸應力、最大等效應力和最大切應力綜合影響，推薦最優滾珠數目為120個。

3.3 復合載荷下力學分析

仿真采用內外圈及滾珠組成配件模型進行40 KN軸向力、20 KN徑向力、45 KN·M彎矩載荷仿真，只改變滾珠的數目，將滾珠依次設為146、120、100、80、60個，其余保持不變，計算模型，模擬計算結果。這里展示滾珠數目為146時，上排滾珠應力分布情況，如圖7所示。

圖7 滾珠數目146上排滾珠應力結果

模擬146、120、100、80、60滾珠情況下得到滾道最大接觸應力值、最大切應力值、最大等效應力值隨鋼球數量的變化如圖8（a）和圖8（b）所示。

由圖8（a）可知，其他條件一定，隨著鋼球數量的增加，上排滾珠最大接觸應力減小且最小值約占最大值53.04%，下排滾珠最大接觸應力也減小且上排滾珠的最大接觸應力約為下排滾珠的最大接觸應力的43.26%，上下排滾道最大接觸載荷隨鋼球數量的增加而減小。上下排滾珠的最大等效應力也隨著滾珠數目增加減小。

由圖8（b）可知滾珠的應力與滾珠數目之間的關系與只受純軸向力的變化相似，最大等效應力和最大切應力都位于上排滾珠，最大接觸應力位于下排滾珠。上下排滾道最大接觸應力、最大等效應力均隨著鋼球數目增加而減小，上下排滾珠的最大切應力先減小后增大。

圖8 上下排滾珠最大應力值隨滾珠數目變化

圖9 上下排滾道最大應力值隨滾珠數目變化

根據云圖發現旋轉接頭的應力最大處并不是上下排滾珠處，發生在滾道處，滾道處應力隨滾珠數目變化如圖9（a）和圖9（b）。

滾道的應力變化與滾珠數目的關系與滾珠應力與數目關系類似，隨著滾珠數目增加，應力都是先減小后有增大的趨勢。

3.4 針對旋轉接頭應力數值模型

整理各工況及數量條件下最大切應力和最大接觸應力之間的關系如圖10所示，并通過相關軟件進行擬合分析，如表1所示：

結合表1和圖10可以看出，通過五種數學擬合方法將散點處理后，相較于線性擬合，乘冪擬合的誤差平方和最小，更能準確的表現出旋轉接頭中滾珠最大切應力與最大接觸應力之間的關系。

圖10 最大切應力與最大接觸應力擬合情況

表1 應力各方式擬合結果

4 結語

1）通過對旋轉接頭整體進行實際工況下模擬仿真，分析了其滾珠及滾道的最大切應力、最大接觸應力和最大等效應力，并且最大應力值小于許用應力（250 MPa），結果表明均符合強度設計要求。

2）分別單一載荷和復合載荷作用下，通過146、120、100、80、60的滾珠數目變化設置不同仿真組，分析比較最大接觸應力值、最大切應力值、最大等效應力值與滾珠數目的關系，得出最優滾珠數目為120。

3）對比了滾珠數目理論確定方法和有限元仿真確定方法之間的區別，可以為其他部件中的滾珠數目確定提供新的思路。

4）分別總結了最大接觸應力和最大切應力與旋轉接頭中滾珠數量之間的關系，并根據原有的滾珠-滾道模型，提出了針對旋轉接頭中滾珠問題的力學關系式。

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Research on Optimal Quantity of Rolling-ball of Marine LNG Loading Arm Swivel Joints

Fan Xu

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452)

TF978

A

1003-4862（2021）06-0089-06

2021-05-13

范旭（1985-），男，學士，工程師。研究方向：FPSO、LNG船舶建造與運營相關技術。Email：hejp@cnooc.com.cn