帶抗壓輪的雙滾筒絞車優(yōu)化設(shè)計研究

楊濤

（國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司新疆煤制天然氣外輸管道有限責(zé)任公司，北京 100021）

雙滾筒摩擦絞車是收放絞車的牽引部分，同時該雙滾筒絞車還配置1臺儲纜絞車，這種組合形式的絞車容繩量大，可以適應(yīng)深水海域的鋪管作業(yè)。但目前大噸位雙滾筒摩擦絞車普遍存在軸承座強(qiáng)度不足和因軸承座承受載荷過大而發(fā)熱的問題。

SAS公司的雙滾筒摩擦絞車的兩個滾筒通過8臺電機(jī)在絞車一側(cè)驅(qū)動，這種結(jié)構(gòu)存在以下不足：每臺減速器的輸出軸都需要在機(jī)架上鉆孔以便驅(qū)動小齒輪，這就造成機(jī)架的一側(cè)存在過多的孔，這種結(jié)構(gòu)大大降低了機(jī)架的強(qiáng)度，若靠加厚機(jī)架來解決又勢必會使整臺絞車變得笨重。

針對上述提出的雙滾筒摩擦絞車的諸如機(jī)架、軸承座強(qiáng)度不足等問題，筆者重點研究了雙滾筒摩擦絞車的相關(guān)改進(jìn)設(shè)計，以期解決前述的雙滾筒摩擦絞車工作過程中出現(xiàn)的問題。主要設(shè)計改進(jìn)為：

（1）在2個滾筒之間增加抗壓輪。

（2）電機(jī)采用兩側(cè)布置的方式。

1 雙滾筒絞車結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)和原理

在充分考慮絞車安裝、運輸、維修及各零部件連接、定位、配合等因素的前提下，帶抗壓輪的雙滾筒摩擦絞車總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙滾筒摩擦絞車主要由電動機(jī)（8臺）、減速器（8臺）、滾筒（2臺）、開式齒輪傳動裝置、抗壓輪和機(jī)架等組成。

圖1 帶抗壓輪雙滾筒摩擦絞車三維圖

其主要優(yōu)點有：

（1）每個滾筒由4臺電機(jī)同時驅(qū)動，滾筒每側(cè)布置2臺電機(jī)。2個滾筒共同牽引鋼纜，可以獲得較大的牽引力。

（2）采用抗壓輪來承擔(dān)兩滾筒之間的作用力可以有效減小軸承座載荷，減小軸承負(fù)載，避免軸承發(fā)熱現(xiàn)象的出現(xiàn)。

雙滾筒絞車的具體工作過程描述：電機(jī)輸出端通過聯(lián)軸器與減速器聯(lián)接，減速器輸出端聯(lián)結(jié)開式小齒輪，大齒輪通過螺栓連接固定在滾筒上，小齒輪與大齒輪通過嚙合運動，驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)。

電機(jī)的正反轉(zhuǎn)可實現(xiàn)滾筒的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)鋼纜的收、放操作。通過變頻調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可滿足鋼纜收放的速度。開有鋼絲繩繩槽的滾筒被8臺兩側(cè)布置的電機(jī)同時驅(qū)動。

雙滾筒絞車的鋼纜纏繞形式為：鋼纜周而復(fù)始地從一個筒體的繩槽繞到另一個筒體的相鄰繩槽上，不像在單滾筒絞車上整圈地纏繞。

1.2 抗壓輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文鋼絲繩的設(shè)計拉力為400t的超大載荷，在兩個滾筒之間布置抗壓輪來承擔(dān)滾筒之間的作用力。中間軸上的抗壓輪受到一對力偶作用，大小相等，方向相反，中間軸承座受力甚微。這樣抗壓輪就承受了軸承座的載荷，減小了軸承座的負(fù)載，也避免了軸承發(fā)熱嚴(yán)重現(xiàn)象的出現(xiàn)。

滾筒輪轂和中間抗壓輪構(gòu)成金屬—金屬摩擦副，主要失效形式為表面疲勞磨損和表面磨粒磨損。根據(jù)抗壓輪的工作特點，抗壓輪的材料應(yīng)滿足以下幾個要求：

（1）彈性模量較大。

（2）表面接觸強(qiáng)度高和耐磨性要好。

根據(jù)以上要求，淬火鋼—淬火鋼相配的輪面材料是比較理想的，選擇40Cr作為抗壓輪材料，高頻淬火，為滿足疲勞壽命和需用接觸應(yīng)力，硬度達(dá)到58HRC。

1.3 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計

對滾筒提供支撐的機(jī)架是雙滾筒摩擦絞車的主要承載構(gòu)件，改進(jìn)設(shè)計后的機(jī)架可減少重量、節(jié)約材料，同時增強(qiáng)設(shè)施的耐磨性、剛度，從而提高機(jī)器的工作精度。

本文的機(jī)架由機(jī)架底盤、支撐板、加強(qiáng)筋和軸承座等組成，主要是對滾筒、齒輪、主軸、電機(jī)和減速器等起支撐作用。

針對SAS公司雙滾筒摩擦絞車機(jī)架強(qiáng)度不足的問題，筆者提出8臺電機(jī)兩側(cè)驅(qū)動2個滾筒的方法。通過行星齒輪減速器，將動力傳給4個小齒輪，4個小齒輪共同驅(qū)動2個大齒輪。

每個小齒輪由2臺對稱布置在滾筒兩邊的電機(jī)驅(qū)動。由于機(jī)架上需要為減速器輸出軸設(shè)計出多個孔以便驅(qū)動小齒輪，因此和單邊驅(qū)動相比較，采用8臺電機(jī)雙邊驅(qū)動的方式可以避免機(jī)架的一側(cè)存在過多的孔而造成機(jī)架強(qiáng)度下降的問題，同時也避免了多個電機(jī)布置在一側(cè)造成的盤式剎車不易布置的問題。

機(jī)架底盤全部由槽鋼焊接而成，槽鋼的規(guī)格全部為CH400×59。之所以選擇焊接而不是鑄造的主要原因是為了降低制造成本，且設(shè)計的雙滾筒摩擦絞車不是批量生產(chǎn)。底盤由兩部分組成：支撐滾筒部分和安裝電機(jī)、減速器的部分。為了便于更換和裝配，軸承座用螺栓固定在機(jī)架上。為了便于主軸裝配，軸承座設(shè)計成分體式，上下兩部分通過螺栓聯(lián)接在一起。

支撐板是承受滾筒自重、鋼絲繩拉力以及齒輪嚙合力的主要元件之一，對其強(qiáng)度要求比較嚴(yán)格。因此需要在支撐板上焊接加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋也用CH400×59的槽鋼。所以需要支撐板上加工4個孔，孔徑比減速器輸出軸略大。

抗壓輪磨損分析。

抗壓輪摩擦副承載初期的接觸面積小，隨著承載增加，端部變形增加，接觸面積也隨之增大。抗壓輪磨損過程是一個系統(tǒng)的動態(tài)過程，影響因素很多。外部因素主要有載荷、相對運動速度、持續(xù)時間、潤滑條件、溫度、磨粒的尺寸、磨粒的幾何形狀以及磨粒的切入角等。內(nèi)部因素包括材料的組織結(jié)構(gòu)和材料力學(xué)性能。為了減小磨損，可以給雙滾筒摩擦絞車配備防護(hù)罩，防止磨粒進(jìn)入摩擦副。

假設(shè)在沒有中間抗壓輪的情況下，兩滾筒在鋼絲繩拉力的作用下變形量均為Δs，則總變形量為 Δf=2Δs。因此，當(dāng)總磨損量Δh＜Δf時，抗壓輪和輪轂仍然可以接觸，抗壓輪可以繼續(xù)使用，而當(dāng)Δh＞Δf時，抗壓輪和輪轂之間出現(xiàn)縫隙，不能接觸，抗壓輪失效。

抗壓輪摩擦副總的磨損量用Δh表示，抗壓輪和輪轂各自的磨損量分別用hs和hk表示，則：

用Archard模型來計算實際磨損量：

式中，V為磨損體積；h為磨損深度；P為抗壓輪接觸點的接觸應(yīng)力；k為線性摩擦系數(shù)，K為磨損系數(shù)，H為布氏硬度。

抗壓輪摩擦副的接觸點是不斷變化的，因此需要用微積分的方法計算磨損量。

式中，T為抗壓輪摩擦副的工作周期；v為抗壓輪的轉(zhuǎn)動速度。

在給定的使用時間t內(nèi)，平均磨損量Δh為：

式中，k1為抗壓輪的線性摩擦系數(shù)；k2為滾筒輪轂的線性摩擦系數(shù)。

許用磨損量為：

2 強(qiáng)度分析

2.1 雙滾筒絞車受力分析

雙滾筒絞車在工作過程中，機(jī)架等受力很復(fù)雜。作用在機(jī)架上的力主要包括4000kN鋼絲繩拉力對機(jī)架軸承座的作用力，鋼絲繩纏繞滾筒對機(jī)架的作用力，儲纜絞車鋼絲繩拉力對機(jī)架軸承座的作用力等。

2.1.1 計算未纏繞到滾筒上的鋼絲繩對機(jī)架的作用力

通過計算分別得到水平支反力和豎向支反力：

2.1.2 計算儲纜絞車一端鋼絲繩對主軸支座的支反力

儲纜絞車鋼絲繩拉力25噸，實際中儲纜絞車一端鋼絲繩拉力方向是不確定的，在0～90度之間變化，本文對0度、45度和90度3種情況分別分析，當(dāng)在這3種情況下A&R絞車強(qiáng)度都滿足要求時，即可說明強(qiáng)度是可靠的。

（1）當(dāng)鋼絲繩拉力為水平方向時

（2）當(dāng)鋼絲繩拉力與水平方向夾角為45°時

（3）當(dāng)鋼絲繩拉力與水平方向夾角為90°時

2.2 雙滾筒絞車有限元分析

雙滾筒摩擦絞車零部件的過度磨損和變形會影響設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致事故發(fā)生，因而在設(shè)計時要重點加強(qiáng)關(guān)鍵零部件的受力分析計算，確保絞車運行安全可靠。

根據(jù)本文提出的帶抗壓輪雙滾筒絞車的實際結(jié)構(gòu)及其在工作中的受力情況，進(jìn)行了三位建模和有限元分析，并與不帶抗壓輪的雙滾筒絞車的分析結(jié)果進(jìn)行了比較，其應(yīng)力從有限元分析可知：

（1）抗壓輪的引入有效的降低了軸承座的應(yīng)力。通過對比分析可以看到，由于增加了抗壓輪，軸承座所受應(yīng)力大大減小，應(yīng)力從264MPa減小為167MPa。

（2）絞車滾筒的變形主要是徑向變形，其他方向的變形都比較小。滾筒最大應(yīng)力位于其內(nèi)壁，最大應(yīng)力達(dá)到180MPa。滾筒體在其側(cè)壁的約束下，滾筒軸向應(yīng)力分布不均。

中部的壓力較兩側(cè)大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在筒壁中部，筒壁中部承受了較大的鋼絲繩徑向壓力載荷，因而所受的應(yīng)力最大，這與實際是相符的。

3 結(jié)語

（1）針對目前雙滾筒絞車普遍存在軸承座應(yīng)力過大的問題，提出使用中間抗壓輪來承受應(yīng)力的方法。對比有限元分析結(jié)果，中間抗壓輪的引入有效降低了軸承座的應(yīng)力，同時避免了軸承發(fā)熱嚴(yán)重現(xiàn)象，說明抗壓輪在大噸位雙滾筒摩擦絞車上的應(yīng)用是成功的。

（2）針對大噸位雙滾筒摩擦絞車機(jī)架強(qiáng)度不夠的問題，本文提出了電機(jī)兩側(cè)布置雙邊驅(qū)動的方式。該方式可避免機(jī)架一側(cè)存在過多的孔而造成機(jī)架強(qiáng)度下降的問題。