一種新型單點(diǎn)系泊球面滑動(dòng)軸承力學(xué)分析

胡勇，董海防，梅國(guó)柱，李光明

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430000)

近50年來(lái)，隨著近海油田勘探開(kāi)發(fā)和海上運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，為了適應(yīng)深海惡劣的環(huán)境條件，單點(diǎn)系泊的技術(shù)日新月異，據(jù)統(tǒng)計(jì)全球共有200多艘不同功能和類(lèi)型的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油和卸油裝置(FPSO)[1]。

以海洋核動(dòng)力平臺(tái)示范工程項(xiàng)目為依托，擬在渤海建造國(guó)內(nèi)第1座自主研發(fā)的塔架式軟鋼臂單點(diǎn)系泊，主要實(shí)現(xiàn)電力、淡水的輸送功能。塔架式單點(diǎn)系統(tǒng)主要包括固定導(dǎo)管架、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)系統(tǒng)、管匯甲板、軟鋼臂系統(tǒng)以及系泊支架等[2]。該系統(tǒng)可以將海洋船舶系泊在作業(yè)海域某個(gè)固定點(diǎn)，并具有風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，在風(fēng)、浪、流作用下，平臺(tái)可以圍繞單點(diǎn)系泊旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)，始終使平臺(tái)承受最小合力[3]，軟剛臂壓載艙為單點(diǎn)系統(tǒng)提供回復(fù)力，限制船舶的運(yùn)動(dòng)位移，保證系統(tǒng)在定點(diǎn)海域的長(zhǎng)期可靠駐泊。

系泊軸承是連接固定和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)備，主要承受船舶系統(tǒng)在風(fēng)浪流復(fù)雜海況下通過(guò)系泊剛臂傳遞的系泊載荷，是單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中關(guān)鍵的受力零件。由于受到復(fù)雜的交變載荷，系泊軸承極有可能發(fā)生強(qiáng)度損壞，甚至疲勞破壞[4]。目前，學(xué)者們對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)做了大量研究。文獻(xiàn)[5]針對(duì)CALM浮筒主軸承進(jìn)行選型研究，考慮海洋環(huán)境的影響，選擇主體材料和密封方案。文獻(xiàn)[6]進(jìn)行了單點(diǎn)系統(tǒng)回轉(zhuǎn)支承的力學(xué)性能分析，分別建立1/2和1/4的承載模型，進(jìn)行安全系數(shù)分析。目前渤海和南海均有7座單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在服役，其中由于主轉(zhuǎn)盤(pán)軸承失效導(dǎo)致單點(diǎn)系統(tǒng)損壞的情況屢見(jiàn)不鮮。1992年茂名石化引進(jìn)了第1套CALM型單點(diǎn)系泊系統(tǒng)[7]，其主軸承采用德國(guó)羅特艾德的三列圓柱滾子軸承，由于潤(rùn)滑劑供應(yīng)量不足，導(dǎo)致主軸承發(fā)生卡阻，磨損率加快，加上密封形式不合理，海水進(jìn)入密封腔導(dǎo)致嚴(yán)重的腐蝕破壞。2000年，位于SZ 28-1油田的“渤海友誼號(hào)”FPSO主軸承由于載荷超出極限而發(fā)生損壞[8]。

與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤(pán)軸承相比，球面滑動(dòng)軸承主要承載的零件是襯板，面接觸更加安全可靠；由于襯板為非金屬自潤(rùn)滑材料，不完全依賴于潤(rùn)滑脂，也不易受海洋環(huán)境的影響；設(shè)計(jì)余量充足，能充分抵抗復(fù)雜的海洋環(huán)境。鑒于此，現(xiàn)提出一種新型球面滑動(dòng)軸承方案，通過(guò)有限元仿真對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能分析。

1 新型單點(diǎn)系泊球面滑動(dòng)軸承

新型單點(diǎn)系泊球面滑動(dòng)軸承(φ2 540 mm×φ2 200 mm×2 254 mm)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由球面滑動(dòng)自潤(rùn)滑襯板(60 mm×60 mm×5 mm)、滾輪支承裝置、內(nèi)圈、拼接的球形外圈以及其他零件構(gòu)成，其半球外徑為4.8 m，高度為6.7 m。外圈軛架掛鉤處與軟鋼臂連接，上部接口與輸電設(shè)備連接，軸承下部通過(guò)底部凸緣與單點(diǎn)系統(tǒng)固定模塊連接，外圈由M30雙頭螺柱連接的2個(gè)半球組成，半球通過(guò)沉頭螺釘將自潤(rùn)滑襯板鑲嵌在其內(nèi)表面，外圈與內(nèi)圈間隙為2 mm，滑動(dòng)襯板與內(nèi)圈之間存在相對(duì)摩擦滑動(dòng)。

外圈軛架掛鉤下部的滾輪支承模塊承受系泊力縱向分量，能使外圈繞內(nèi)圈沿環(huán)形支承軌道運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)襯板承受系泊力水平分量，軸承整體受力穩(wěn)定可靠。

球面滑動(dòng)軸承材料及力學(xué)性能見(jiàn)表1。

2 滑動(dòng)軸承理論分析

2.1 球面接觸摩擦分析

1—系泊軛架掛鉤；2—系泊剛臂；3—軸承下部模塊接口；4—外圈注油孔；5—嵌入外圈的襯板；6—與內(nèi)圈焊接的錐形環(huán)段；7—滾輪模塊的轉(zhuǎn)盤(pán)軸承軌道；8—內(nèi)圈；9—軸承上部模塊接口；10—內(nèi)圈錐形環(huán)段；11—滾輪支承模塊；12—外圈

表1 軸承材料的力學(xué)性能

圖2 軸承球面接觸摩擦示意圖

當(dāng)接觸面2相對(duì)軸承1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各點(diǎn)的力臂隨接觸位置的變化而變化，接觸圓弧各點(diǎn)到回轉(zhuǎn)軸的距離為(rcosβ+e)，其對(duì)應(yīng)的微弧長(zhǎng)為(rcosβ+e)dα；對(duì)應(yīng)此微弧長(zhǎng)的軸向接觸線仍為圓弧，取微夾角dβ，則其對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)為rdβ。

由此推出

ds=(rcosβ+e)dα·rdβ，

(1)

dN=pds=p(rcosβ+e)dα·rdβ，

(2)

dFf=fdN=fp(rcosβ+e)dα·rdβ，

(3)

式中：ds為對(duì)應(yīng)微夾角dα的微面積；dN為在一定壓強(qiáng)下對(duì)應(yīng)微面積上的正壓力；dFf為對(duì)應(yīng)微面積的摩擦力；f為襯板的摩擦因數(shù)。

對(duì)軸心的摩擦阻力矩為

dMf=(rcosβ+e)dFf=rfp(rcosβ+e)2dαdβ。

(4)

2.2 總接觸面摩擦力矩

由于軸頸與軸承配合密切，則在Fr的作用下，軸承對(duì)軸頸的摩擦力矩為

(5)

各處壓力沿法向方向的分力之和應(yīng)與Fr平衡，即

(6)

由此可得

(7)

將(7)式代入(5)式得到總摩擦力矩為

(8)

由于系泊軸承在海洋條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此需考慮極端載荷，海洋工況見(jiàn)表2[10]。

表2 系泊軸承的海洋工況

由表2計(jì)算得到Fr=5×106N；r=1 m；f=0.15；e的取值較小，可忽略不計(jì)；滾輪的摩擦因數(shù)偏小，其力矩相對(duì)于滑動(dòng)摩擦也可忽略。將參數(shù)代入(8)式可得Mf=1.18×106N·m，在正常海況下，船體受到一般的風(fēng)浪流側(cè)向作用力矩為2.0×106N·m[10]，大于總摩擦力矩，因此能夠使滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 有限元建模

利用ANSYS Design Modeler軟件對(duì)球面滑動(dòng)軸承進(jìn)行建模，如圖3所示。由于球面滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，將內(nèi)圈錐形段底部環(huán)面施加固定約束，滑動(dòng)襯板與外圈通過(guò)螺釘綁定作為一個(gè)整體，襯板與外圈設(shè)置為滑動(dòng)摩擦接觸，研究整個(gè)系統(tǒng)的受力情況。外圈帶有滾輪支承的掛鉤處受到單點(diǎn)系泊系統(tǒng)軟鋼臂傳遞的6.23×106N的合力(橫向和縱向)，其上部同時(shí)承受旋轉(zhuǎn)塔臺(tái)系統(tǒng)1.56×106N的力以及附加的傾覆力矩；內(nèi)圈頂部環(huán)形結(jié)構(gòu)處承受電力滑環(huán)的重力，球面處承受外圈結(jié)構(gòu)的重力(圖3a)。

在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，為了縮短計(jì)算時(shí)間，簡(jiǎn)化了軛頭掛鉤處的壓蓋及內(nèi)、外圈凸緣座的螺栓孔。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)為5×105時(shí)，其計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)為44×104時(shí)的差別不大；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為4×105時(shí)，其計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)為44×104時(shí)的有明顯差別，因此選取整體網(wǎng)格數(shù)為44×104，并對(duì)連接螺栓和相鄰部件接觸處網(wǎng)格進(jìn)行局部加密(圖3b)。

圖3 滑動(dòng)軸承有限元模型

系泊軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[11]，其中要求軸承在海上使用的安全系數(shù)σ0/σmax不小于2.0，采取控制變量法，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化前后軸承結(jié)構(gòu)尺寸及安全系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

由表3可知，在滿足安全系數(shù)下，應(yīng)盡可能減小系泊軸承的結(jié)構(gòu)尺寸，避免安裝運(yùn)輸過(guò)于龐大、偏重，也有利于節(jié)約成本。雙頭螺柱的安全系數(shù)較大，主要考慮到其為受力的關(guān)鍵部位，承受交變載荷，故可適當(dāng)取大。

4 數(shù)值分析結(jié)果

4.1 軸承

軸承內(nèi)圈下部環(huán)形錐鍛采用凸緣連接，施加相應(yīng)的固定約束，球面滑動(dòng)軸承整體仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 軸承仿真結(jié)果

由圖4可知，球面滑動(dòng)軸承整體的應(yīng)力較小，局部最大應(yīng)力在60 MPa以下，這主要考慮到在復(fù)雜海況下，需要盡可能提高主軸承的安全系數(shù)而又不影響工程成本[12]。與外圈鍛件焊接處的軛頭掛鉤是受力關(guān)鍵部位，最大接觸應(yīng)力約270 MPa，其一側(cè)的最大變形為6.76 mm，在允許的范圍內(nèi)[11]。由于系泊力水平向下，控制掛鉤處的變形量是保證球面滑動(dòng)軸承安全承載的關(guān)鍵。

4.2 外圈

連接軸承外圈半球的是非標(biāo)專用雙頭螺柱，為了防止在系泊載荷作用下兩半球被拉裂，在預(yù)緊力作用下，螺栓應(yīng)采取防松、防腐措施。由于系泊載荷直接作用在軛頭掛鉤上，故其外圈接觸處應(yīng)力較大，局部區(qū)域應(yīng)力達(dá)到200 MPa(圖5a)。外圈變形主要體現(xiàn)為整體性位移，主要由于內(nèi)、外圈采用摩擦接觸，整體承受較大的系泊載荷。位于外圈兩半球連接處的變形間隙分布特征為：從上部到下部，前半球變形量逐漸減小，后半球變形量逐漸增大，中間區(qū)域幾乎無(wú)相對(duì)位移，而在上端的內(nèi)側(cè)連接處間隙最大，主要體現(xiàn)在z向的變形，其最大相對(duì)位移為0.5 mm，這種現(xiàn)象與前、后半球連接螺栓的布置密切相關(guān)。因此在實(shí)際工程裝配中，應(yīng)盡量在靠近外圈上端處布置螺栓，保證連接的剛度。

圖5 外圈仿真結(jié)果

4.3 雙頭螺柱

非標(biāo)設(shè)計(jì)的雙頭螺柱直接承受外圈半球的剪切和拉伸應(yīng)力，受力較為復(fù)雜，其應(yīng)力和變形云圖如圖6所示。由圖可知，上部螺栓應(yīng)力偏大，最大值為220 MPa，安全系數(shù)滿足要求。從上到下，螺栓的變形逐漸減小，最大位移為3.3 mm，最小位移為2.9 mm，主要位移是由于連接螺栓整體隨外圈一起沿系泊力方向移動(dòng)引起的，其相對(duì)變形量小于0.4 mm。

4.4 球面滑動(dòng)襯板

球面滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于采用國(guó)外引進(jìn)的自潤(rùn)滑滑動(dòng)襯板，其摩擦因數(shù)低，承壓能力強(qiáng)，可以自潤(rùn)滑[13-14]。襯板通過(guò)沉頭螺釘鑲嵌固定于外圈的內(nèi)球面，其受力狀況直接影響軸承在高海況下回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和安全性，襯板仿真應(yīng)力和變形云圖如圖7所示。由圖可知，滑動(dòng)襯板大部分區(qū)域的應(yīng)力均較小，在40 MPa以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用值，安全系數(shù)較高；前半部上端襯板的應(yīng)力稍大，約50 MPa；后半部上端的襯板應(yīng)力也偏大，且越靠近邊緣應(yīng)力越大，最大值為160 MPa(圖7a)。這主要是由于該區(qū)域的襯板受到內(nèi)、外圈相互擠壓，且最外緣襯板的尖銳邊角引起了應(yīng)力集中。因此，在實(shí)際生產(chǎn)制造中，需對(duì)襯板進(jìn)行打磨導(dǎo)圓處理。襯板的變形趨勢(shì)與外圈較為相似，前半部分上端變形最大，后半部分上端變形最小(圖7b)。

圖7 滑動(dòng)襯板仿真結(jié)果

5 結(jié)論

1)球面滑動(dòng)軸承整體受力比較合理，最大接觸應(yīng)力和最大變形位于掛鉤處，整體變形量較小，理論上軸承整體安全可靠，能承受較大的系泊載荷。

2)外圈在系泊載荷作用下，從上部到下部，前半球變形量逐漸減小，后半球變形量逐漸增大，中間區(qū)域幾乎無(wú)相對(duì)位移。

3)連接螺栓從上到下的位移呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，主要由連接螺栓整體隨外圈沿著系泊力方向移動(dòng)導(dǎo)致。

4)球面滑動(dòng)襯板大部分區(qū)域應(yīng)力均在40 MPa以下，安全系數(shù)較高，后半部靠近邊緣處的應(yīng)力較大，主要是由于尖銳邊角引起了應(yīng)力集中，其變形趨勢(shì)與外圈相似。

在復(fù)雜海況下單點(diǎn)系泊球面滑動(dòng)軸承安全可靠，具有一定的應(yīng)用前景。