500t浮式疏浚抓斗起重機(jī)超大軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析

王 朋，常 恒，張玉蓮

(浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山 316000)

500t浮式疏浚抓斗起重機(jī)超大軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析

王 朋，常 恒，張玉蓮

(浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山 316000)

基于某企業(yè)生產(chǎn)的HCDJ－500t超大型船用起重機(jī)單排圓錐滾柱回轉(zhuǎn)支承，對(duì)比分析了單排圓錐滾柱回轉(zhuǎn)支承所存在的缺陷和三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承的優(yōu)點(diǎn)。提出了三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行MATLAB優(yōu)化和ANSYS Workbench有限元分析驗(yàn)證，得出三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)和性能均優(yōu)于單排圓錐滾柱回轉(zhuǎn)支承的結(jié)論。

單排滾柱回轉(zhuǎn)支承;三排滾柱回轉(zhuǎn)支承;MATLAB優(yōu)化設(shè)計(jì);ANSYS有限元分析

海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與海洋資源的開(kāi)發(fā)，是當(dāng)今乃至未來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中比較重要的規(guī)劃之一。因此，大型化、高性能的船舶海洋工程設(shè)備需要進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)［1］。舟山海川船舶機(jī)械有限公司自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的船用國(guó)產(chǎn)起吊設(shè)備——HCDJ－500t型疏浚浮式抓斗起重機(jī)就是在此需求下設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，主要用于海洋淤泥清理、海洋礦物開(kāi)采等作業(yè)，其抓斗容積為30m3，額定起重量為150t，最大起重量為500t。但在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，單排圓錐滾柱的超大型回轉(zhuǎn)支承存在生產(chǎn)成本高、安裝復(fù)雜和回轉(zhuǎn)支承性能差等缺點(diǎn)。本文通過(guò)選型對(duì)比分析、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和有限元分析，對(duì)原單排圓錐滾柱回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出具有更高性能的三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承，以提高該起重機(jī)的回轉(zhuǎn)性能。

1 新舊軸承選型對(duì)比分析

HCDJ－500t為船用浮式起重機(jī)(如圖1所示)，該起重機(jī)當(dāng)前使用單排圓錐滾柱回轉(zhuǎn)支承(如圖2所示)［2］，存在圓錐加工精度要求高、成本高、表面淬火難度大、安裝復(fù)雜和開(kāi)式齒輪傳動(dòng)淤泥容易進(jìn)入等缺點(diǎn)。由于整體尺寸設(shè)計(jì)需要，回轉(zhuǎn)支承軸承的軌道中心直徑為10 010mm，屬于非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。若按目前企業(yè)使用的單排滾柱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，會(huì)存在內(nèi)外踏面的速度差，造成滾動(dòng)體表面摩擦強(qiáng)度巨大，縮短滾動(dòng)體壽命。在承載方面，單排滾柱式滾動(dòng)條設(shè)計(jì)了內(nèi)外凸臺(tái)以承載徑向載荷(如圖2所示)，也就意味著對(duì)踏面的強(qiáng)度要求增大，淬火質(zhì)量要求提高。在安裝方面，雖然裝有反向滾輪(如圖3所示)，但其承載和對(duì)中性主要還是依靠中心豎軸(如圖4所示)，造成正反滾動(dòng)體均為開(kāi)式安裝，在工況惡劣的海洋疏浚作業(yè)中也會(huì)迅速降低軸承壽命。

圖1 HCDJ－500t浮式起重機(jī)

圖2 原單排回轉(zhuǎn)支承滾動(dòng)體(圓錐面)

圖3 反向滾輪

圖4 中心豎軸安裝示意圖

基于上述因素考慮，決定對(duì)該起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。采用三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造(同13系列回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)，如圖5所示):結(jié)構(gòu)上能夠?qū)崿F(xiàn)齒輪和滾動(dòng)體的閉式安裝，延長(zhǎng)使用壽命;在加工成本方面，該結(jié)構(gòu)中滾動(dòng)體為圓柱，踏面為平面，加工成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于單排圓錐滾柱回轉(zhuǎn)支承軸承;在承載方面，三排滾柱回轉(zhuǎn)支承軸承的滾動(dòng)體是由主推滾柱、徑向滾柱和反推滾柱3部分構(gòu)成(如圖5所示)，分別承擔(dān)軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩，此結(jié)構(gòu)分散并減小了單一滾動(dòng)體和踏面的載荷，降低了淬火加工的要求和難度;在安裝方面，采用均布強(qiáng)度螺栓連接方法，取消中心豎軸，擴(kuò)大了回轉(zhuǎn)支承的中心空間，給整體起重機(jī)設(shè)計(jì)提供更多選擇。為避免增加改造成本，保持驅(qū)動(dòng)與原單排回轉(zhuǎn)支承一致，為內(nèi)齒驅(qū)動(dòng)。

圖5 三排滾柱回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)

2 三排滾柱力學(xué)性能分析

回轉(zhuǎn)支承的類型分為:單排滾柱式、單排交叉滾柱式、雙排球式、三排滾柱式。分別對(duì)各個(gè)類型的軸承進(jìn)行力學(xué)和壽命分析:在同種規(guī)格尺寸，不同類型結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)支承軸承上，施加同樣大小載荷，計(jì)算不同類型回轉(zhuǎn)支承軸承的靜載荷容量和動(dòng)載荷容量。對(duì)比后發(fā)現(xiàn):單排滾柱式的靜載能力比交叉滾柱式大90%，動(dòng)載能力小20%;而三排滾柱式的承載能力是這幾種回轉(zhuǎn)支承中最大的一種，因此其一直是大型承載軸承的首選［3］。曾有業(yè)界人士用單位成本下額定容量值R與直徑進(jìn)行比對(duì)后發(fā)現(xiàn):以直徑1 800mm為分界點(diǎn)，在大于1 800mm直徑的回轉(zhuǎn)場(chǎng)合里，均以三排滾柱的單位成本下額定容量值R為最高(如圖6所示)［4］。

圖6 單位成本載荷容量R值

三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承在力學(xué)性能上具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，但其實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用十分少見(jiàn)，主要原因?yàn)樯a(chǎn)技術(shù)封鎖。目前，只有德國(guó)蒂森克虜伯公司設(shè)計(jì)并生產(chǎn)直徑為11m的三排滾柱回轉(zhuǎn)支承。本文的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，尚屬于中試階段。

3 三排滾柱回轉(zhuǎn)支承參數(shù)確定和優(yōu)化

綜上所述，確定改造原單排圓錐滾柱回轉(zhuǎn)支承為三排滾柱回轉(zhuǎn)支承，設(shè)計(jì)要求為三排滾柱回轉(zhuǎn)支承必須滿足原單排圓錐滾柱回轉(zhuǎn)支承的承載條件和相關(guān)尺寸參數(shù)——滾道中心直徑10 010mm。

考慮到原單排圓錐滾柱回轉(zhuǎn)支承的滾動(dòng)體，均滿足載荷設(shè)計(jì)要求，為縮短改造周期，三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承的滾動(dòng)體優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)參照原單排回轉(zhuǎn)支承滾動(dòng)體參數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，使用MATLAB優(yōu)化工具箱fmincon函數(shù)，通過(guò)約束條件對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最小值求解［5］。在此優(yōu)化基礎(chǔ)上，進(jìn)行有限元分析和驗(yàn)證。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

浮式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)中，回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)、外齒圈直徑必須要滿足驅(qū)動(dòng)設(shè)備和起重機(jī)上部機(jī)構(gòu)安裝的結(jié)構(gòu)要求。原因在于回轉(zhuǎn)支承是起重機(jī)主要承載機(jī)構(gòu)，而主推滾柱是回轉(zhuǎn)支承中的主要承載單元，所以滾柱的設(shè)計(jì)成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。主推滾柱設(shè)計(jì)中，相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)參數(shù)為滾道中心半徑D0、滾柱底面半徑D1、滾柱長(zhǎng)度L和主推滾柱總數(shù)Z，滾柱長(zhǎng)度即為滾柱與踏面的接觸長(zhǎng)度(有效接觸長(zhǎng)度數(shù)值)。在滿足壽命和強(qiáng)度的力學(xué)要求下，滾柱直徑越小，數(shù)量越少，最為優(yōu)化。而滾柱直徑和數(shù)量可反映在滾動(dòng)體的總體積上，因此選滾動(dòng)體總體積為目標(biāo)函數(shù)，記為:f(x)=x1x2x3，x1，x2，x3分別為滾柱直徑D1、接觸長(zhǎng)度L和滾柱數(shù)量Z。建立目標(biāo)函數(shù)為:

3.2 約束條件

a.載荷約束。

額定靜載荷為:

式中:C0為額定靜載荷;Cp為當(dāng)量靜載荷。

參照《疏浚工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)靜載荷系數(shù)取為:

浮式起重機(jī)的當(dāng)量靜載荷取決于整體載荷狀況，計(jì)算分析:

式中:F為軸向載荷;M為傾覆力矩。

可得載荷約束條件:

代入軸向靜載荷等數(shù)據(jù)可得:

b.接觸長(zhǎng)度約束。

接觸長(zhǎng)度為滾動(dòng)體與踏面的有效接觸長(zhǎng)度，在滾動(dòng)體半徑較小或需承載徑向支撐時(shí)，需要把滾動(dòng)體設(shè)計(jì)為錐面，避免出現(xiàn)內(nèi)外踏面的速度差引起的附加旋轉(zhuǎn)阻力。而在滾動(dòng)體半徑較大時(shí)，可使用圓柱滾動(dòng)體，圓柱滾動(dòng)體有效接觸長(zhǎng)度與直徑需要滿足如下關(guān)系:

推導(dǎo)并得出約束條件:

c，結(jié)構(gòu)尺寸約束。

在改造中，由于整體結(jié)構(gòu)尺寸為確定值，因而對(duì)回轉(zhuǎn)支承軸承的整體尺寸也存有尺寸約束條件，包括滾動(dòng)體的間隔寬度B取值范圍為10～20mm;軌道中心直徑D0和起重機(jī)下部分基座直徑相匹配，推導(dǎo)得出D0取值范圍為9 500～10 000mm。

由計(jì)算公式:

可得約束條件:

3.3 MATLAB 優(yōu)化

由上述計(jì)算可得如下數(shù)學(xué)模型:

目標(biāo)函數(shù)

此數(shù)學(xué)模型求解為非線性目標(biāo)函數(shù)的非線性約束優(yōu)化［5］(其中 C2，C3式為線性約束，編程時(shí)可把該線性約束看作特殊的非線性約束項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算)，因此建立目標(biāo)函數(shù)文件為:

非線性約束文件如下:

得到最終優(yōu)化解為:

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可取直徑為294mm，長(zhǎng)度為290mm，數(shù)量為60個(gè)。較原單排圓錐滾柱回轉(zhuǎn)支承參數(shù)(直徑340mm，長(zhǎng)度470mm，數(shù)量60)相比，在同種工況下，實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在單個(gè)滾動(dòng)體上節(jié)約材料46%，同時(shí)采用滾柱式而非圓錐，既提高了回轉(zhuǎn)性能，延長(zhǎng)了壽命，又在其單個(gè)滾柱的生產(chǎn)周期中減少了30%的加工量，提高生產(chǎn)效率。

另外，其計(jì)算結(jié)果是滿足所有約束條件的最優(yōu)解，意味著優(yōu)化后的數(shù)據(jù)在理論上滿足所有載荷要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證。

4 有限元分析

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)所得最優(yōu)解進(jìn)行三排滾柱回轉(zhuǎn)支承三維建模(SolidWorks)，通過(guò) ANSYS Work-Bench對(duì)其加載約束載荷和設(shè)定安全系數(shù)，分析結(jié)果如圖7，8，9所示，分別為位移云圖、應(yīng)變?cè)茍D和應(yīng)力云圖，分析結(jié)果均顯示滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 位移分布(最大位移0.018 32mm)

圖8 應(yīng)變?cè)茍D

圖7中，在500t滿負(fù)荷靜力加載的情況下，位移最大值處于接觸凸緣的最外邊緣，其最大位移量為0.007 151 8mm，在實(shí)際工程上不會(huì)對(duì)載荷產(chǎn)生任何影響?？梢源_定，該回轉(zhuǎn)支承滿足設(shè)計(jì)要求。在圖8，9中，應(yīng)力和應(yīng)變值均在材料的許用范圍內(nèi)，其安全系數(shù)在理論上高達(dá)154，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 應(yīng)力分布(安全系數(shù)可達(dá)154)

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)單排圓錐滾柱回轉(zhuǎn)支承和三排滾柱回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)三排滾柱回轉(zhuǎn)支承整體性能優(yōu)于單排圓錐滾柱回轉(zhuǎn)支承。在滾道中心直徑相等，載荷相同條件下，用MATLAB對(duì)三排滾柱回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。通過(guò)ANSYS Workbench驗(yàn)證了設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化結(jié)果的正確性。既可以為回轉(zhuǎn)支承的選型設(shè)計(jì)提供理論分析依據(jù)，同時(shí)也證明了該三排滾柱設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型及其優(yōu)化函數(shù)的合理性，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

［1］蔣國(guó)仁.港口起重機(jī)［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，1994:199－210.

［2］徐立民.回轉(zhuǎn)支承［M］.合肥:安徽科學(xué)技術(shù)出版社，1988:16－30.

［3］紀(jì)德洲.130.50.3550型三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承的研究與開(kāi)發(fā)［D］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

［4］戴軍.回轉(zhuǎn)支承的合理選用［J］.機(jī)電設(shè)備，2006(2):29－31.

［5］王春香，馮慧忠.MATLAB軟件在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2004(7):45 －48.

Study on the Slewing Bearing Performance and Structure of Large Dredging Ship

WANG Peng，CHANG Heng，ZHANG Yulian
(Zhejiang Ocean University，Zhejiang Zhoushan，316000，China)

Aiming at the single row tapered roller slewing bearing of HCDJ－500t large crane ship，it analyzes and compares the advantages and disadvantages of single row tapered roller slewing bearing with the three row roller slewing bearing.It puts forward the three row roller slewing bearing design method，simulates and optimizates the three row roller slewing ring based on MATLAB and ANSYS Workbench，proposes the three row roller slewing bearing structure.The performance of this three row roller slewing ring is better than the single row tapered roller slewing bearing.

Single Roller Slewing Bearing;Three Roller Slewing Bearing;MATLAB Optimization Design;Finite Element Analysis

TH21

A

2095－509X(2013)05－0012－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.05.003

2013－04－28

王朋(1986—)，男，河南周口人，浙江海洋學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化。