大型浮吊滑動摩擦材料回轉(zhuǎn)支撐力學行為

袁振欽等

摘要： 針對浮吊的輕量化設(shè)計，采用非金屬滑動摩擦材料Nylatron 703XL取代以往的滾動式回轉(zhuǎn)支撐.對Nylatron 703XL材料試樣進行壓縮試驗，獲得材料的壓縮性能曲線，發(fā)現(xiàn)這種材料的壓縮性能曲線呈現(xiàn)明顯的非線性特征，對結(jié)構(gòu)分析的影響顯著.針對2×8 000 t大型浮吊，用Abaqus計算得到不同工況對Nylatron 703XL墊圈的力學響應(yīng)和規(guī)律.計算分析摩擦因數(shù)對墊圈力學行為的影響.結(jié)果認為：Nylatron 703XL具有取代金屬結(jié)構(gòu)的能力，可以作為滑動摩擦材料；其在工程機械承載結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的潛力巨大.

關(guān)鍵詞： 浮吊； 輕量化設(shè)計； 回轉(zhuǎn)支撐； 滑動摩擦材料； Nylatron 703XL； 非線性

中圖分類號： TH218；TB115.1文獻標志碼： B

Abstract： As to the light weight design on a floating crane， the nonmetallic sliding friction material Nylatron 703XL is applied to replace the previous rolling rotary fulcrum. The compression test on a Nylatron 703XL specimen is performed to obtain the material compression performance curve. The compression performance curves present the obvious nonlinear characteristics， which have significant effect on the structural analysis. As to a 2×8 000 t floating crane， Abaqus is used to calculate the mechanical response and its rule of a Nylatron 703XL washer under different conditions. The effect of friction factor on the mechanical behavior of the washer is calculated and analyzed. The results indicate that， Nylatron 703XL has the ability to replace the metal structure and can be used as sliding friction material； its application potential in bearing structures of engineering machinery is enormous.

Key words： floating crane； light weight design； rotary fulcrum； sliding friction material； Nylatron 703XL； nonlinearity

引言

海洋工程的不斷發(fā)展，促使浮吊朝大型化發(fā)展.浮吊的自身質(zhì)量、起升高度和起升質(zhì)量大大提高，導致浮吊底部回轉(zhuǎn)支撐的滾子承受載荷極大，造成應(yīng)力集中，使其很難滾動，給工程使用造成很大困難.浮吊自身質(zhì)量越大，經(jīng)濟投入就越大，所以大型浮吊的輕量化設(shè)計成為未來浮吊產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵.浮吊的輕量化設(shè)計，不僅有對上部臂架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[1]，還有對底部支撐的優(yōu)化.底部支撐質(zhì)量巨大[2]，僅僅靠結(jié)構(gòu)優(yōu)化難以取得效果.綜合以上2方面因素考慮，如果采用低密度材料進行替換，質(zhì)量會大大降低.高分子材料具有輕量化、耐摩擦和抗腐蝕等優(yōu)點[3]，如果能用在浮吊的關(guān)鍵部位，是很好的選擇.

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，高分子材料種類越來越多，力學性能越來越強，并且在某些方面逐漸取代金屬的地位.尼龍滑輪作為塔吊配件已經(jīng)以其獨特的優(yōu)點漸漸代替老舊的金屬滑輪，廣泛應(yīng)用于各起重設(shè)備中.起重機用的尼龍滑輪一般為MC尼龍[4]，強度比一般尼龍高1.5倍，超過常用工程塑料.起重機吊臂支撐用滑塊過去一直都用黃銅制成，改用MC尼龍材料后，使用壽命提高4～5倍.高分子材料具有摩擦因數(shù)小、強度高、質(zhì)量小和抗腐蝕等優(yōu)點，使得其在吊機行業(yè)中的應(yīng)用前景廣泛.

塑料在工業(yè)上應(yīng)用的歷史比金屬短得多，因此塑料的選擇原則、方法和過程基本參照金屬的做法.根據(jù)塑料的使用和工藝性能特點，結(jié)合具體的塑料零件結(jié)構(gòu)設(shè)計進行合理選材，尤其應(yīng)注意工藝和試驗結(jié)果，綜合評價后確定選材方案.本文選取力學性能優(yōu)良的高分子材料Nylatron 703XL作為滑動摩擦材料，應(yīng)用于浮吊的回轉(zhuǎn)支撐，替換以往的滾動式回轉(zhuǎn)支撐[5]，見圖1.

采用滑動摩擦墊圈結(jié)構(gòu)，使得回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量極大減小，但對材料的力學性能要求較高：首先要有足夠的彈性模量和壓縮強度以承載，其次需要較好的摩擦性能使上部結(jié)構(gòu)能夠自由轉(zhuǎn)動.

由于Nylatron 703XL是一種新型高分子材料，在應(yīng)用上并不廣泛，針對結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也沒有相應(yīng)規(guī)范[67]，所以首先需要通過材料試驗了解其力學性能，然后融入結(jié)構(gòu)進行力學性能分析.

1摩擦回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)形式

本結(jié)構(gòu)針對2×8 000 t海上浮吊進行設(shè)計，浮吊回轉(zhuǎn)支撐采用雙環(huán)形滑動摩擦墊片，每個環(huán)形墊片上部有滑動導軌與其接觸摩擦，導軌上部與浮吊回轉(zhuǎn)底盤焊接而成，見圖2.浮吊工況載荷和自重通過上部臂架傳遞到回轉(zhuǎn)底盤[7]，回轉(zhuǎn)底盤通過滑軌將載荷傳遞到摩擦墊片，摩擦墊片將載荷作用于回轉(zhuǎn)下支撐.結(jié)構(gòu)具體參數(shù)見表1.

1—回轉(zhuǎn)底盤；2—滑軌；3—摩擦墊圈；4—回轉(zhuǎn)下支撐

滑動墊片由內(nèi)外2個獨立的144°弧形組成，外圓環(huán)的外徑為30 400 mm，內(nèi)徑為29 600 mm；內(nèi)圓環(huán)的外徑為28 400 mm，內(nèi)徑為27 600 mm；厚度均為50 mm.摩擦墊片應(yīng)用在回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)與吊機支座之間.摩擦材料單元類型采用C3D8R.滑軌和上層鋼板采用粘接形式連接，滑軌和摩擦材料采用面面接觸形式，采用庫侖摩擦模擬滑軌與摩擦材料之間的切向行為.

3.3約束、加載和分析

根據(jù)摩擦墊片的環(huán)形設(shè)計，將滑動摩擦材料底面和兩端面進行固定約束.模型建立一個靜態(tài)分析步和一個動態(tài)分析步，靜態(tài)分析步模擬滑動摩擦墊片承受上部壓力過程，動態(tài)分析步模擬滑軌與摩擦墊片產(chǎn)生滑動摩擦過程.

載荷有2種：一種是靜態(tài)分析步中對上部鋼板施加的均布載荷，分析摩擦材料承受靜態(tài)壓力的力學行為；另一種是動態(tài)分析步中對上部鋼板及滑軌施加的位移載荷，分析摩擦材料在承壓情況下發(fā)生滑動摩擦的力學行為.邊界條件和加載見圖6.

5結(jié)論

基于浮吊結(jié)構(gòu)，采用滑動摩擦材料Nylatron 703XL替換滾柱式回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)的新型設(shè)計進行材料性能研究.通過材料試驗以及非線性分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）Nylatron 703XL具有較好的承壓能力，在一定程度上可以替換金屬結(jié)構(gòu)，其壓縮性能呈現(xiàn)雙線性特征，對結(jié)構(gòu)分析影響顯著.

（2）在摩擦因數(shù)為0.18情況下，摩擦材料的最大von Mises應(yīng)力處于第二線性段，如果出現(xiàn)意外載荷，可能使材料屈服.如果能將材料與鋼板的摩擦因數(shù)降低到0.1以下，將使結(jié)構(gòu)更安全.

（3）摩擦材料處于低壓力（4 MPa以下）時，摩擦是材料力學行為的主因；摩擦材料處于高壓力（8 MPa上）時，剪切是材料力學行為的主因.

（4）滑軌對材料的剪切作用強于對材料的摩擦作用，如果壓力過大，將導致材料剪切破壞.

綜上所述，如果能夠適當處理Nylatron 703XL的表面和邊緣，降低其與鋼板之間的摩擦因數(shù)，并對邊緣進行倒角以減小邊緣剪切力，可將Nylatron 703XL材料作為滑動摩擦材料，應(yīng)用于浮吊回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu).

參考文獻：

[1]鄭惠強， 申靜靜， 張氫. 7000 t浮式起重機臂架鋼結(jié)構(gòu)分析[J]. 中國工程機械學報， 2008， 6（2）： 184187.

ZHENG Huiqiang， SHEN Jingjing， ZHANG Qing. Steel structure analysis on boom of 7000 t floating crane[J]. Chin J Construction Machinery， 2008， 6（2）： 184187.

[2]盧凱良， 邱惠清， 宋甲強， 等. 7500 t浮吊回轉(zhuǎn)支承輪壓仿真計算與實測驗證[J]. 機械設(shè)計， 2009， 26（12）： 1923.

LU Kailiang， QIU Huiqing， SONG Jiaqiang， et al. Wheel pressure simulative calculation and actual measuring verification of 7500 t floating crane turning support[J]. J Machine Des， 2009， 26（12）： 1923.

[3]馬之庚， 陳開來. 工程塑料手冊： 材料卷[M].北京： 機械工業(yè)出版社， 2004， 3132.

[4]張海燕， 李根臣， 王樹倫， 等. MC尼龍的應(yīng)用研究進展[J]. 工程塑料應(yīng)用， 2010， 38（12）： 8890.

ZHANG Haiyan， LI Genchen， WANG Shulun， et al. Research progress in applications of MC nylon[J]. Eng Plastics Application， 2010， 38（12）： 8890.

[5]張質(zhì)文， 虞和謙， 王金諾， 等. 起重機設(shè)計手冊[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 1998， 5152.

[6]GB 3811—2008起重機設(shè)計規(guī)范[S].

[7]中國船級社. 船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備設(shè)計規(guī)范[S].

[8]ISO 6042003Plasticsdetermination of compressive properties[S].

[9]ASTM D69510Standard test method for compressive properties of rigid plastics[S].

[10]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析實例詳解[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2006： 164.（編輯武曉英）

滑動墊片由內(nèi)外2個獨立的144°弧形組成，外圓環(huán)的外徑為30 400 mm，內(nèi)徑為29 600 mm；內(nèi)圓環(huán)的外徑為28 400 mm，內(nèi)徑為27 600 mm；厚度均為50 mm.摩擦墊片應(yīng)用在回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)與吊機支座之間.摩擦材料單元類型采用C3D8R.滑軌和上層鋼板采用粘接形式連接，滑軌和摩擦材料采用面面接觸形式，采用庫侖摩擦模擬滑軌與摩擦材料之間的切向行為.

3.3約束、加載和分析

根據(jù)摩擦墊片的環(huán)形設(shè)計，將滑動摩擦材料底面和兩端面進行固定約束.模型建立一個靜態(tài)分析步和一個動態(tài)分析步，靜態(tài)分析步模擬滑動摩擦墊片承受上部壓力過程，動態(tài)分析步模擬滑軌與摩擦墊片產(chǎn)生滑動摩擦過程.

載荷有2種：一種是靜態(tài)分析步中對上部鋼板施加的均布載荷，分析摩擦材料承受靜態(tài)壓力的力學行為；另一種是動態(tài)分析步中對上部鋼板及滑軌施加的位移載荷，分析摩擦材料在承壓情況下發(fā)生滑動摩擦的力學行為.邊界條件和加載見圖6.

5結(jié)論

基于浮吊結(jié)構(gòu)，采用滑動摩擦材料Nylatron 703XL替換滾柱式回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)的新型設(shè)計進行材料性能研究.通過材料試驗以及非線性分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）Nylatron 703XL具有較好的承壓能力，在一定程度上可以替換金屬結(jié)構(gòu)，其壓縮性能呈現(xiàn)雙線性特征，對結(jié)構(gòu)分析影響顯著.

（2）在摩擦因數(shù)為0.18情況下，摩擦材料的最大von Mises應(yīng)力處于第二線性段，如果出現(xiàn)意外載荷，可能使材料屈服.如果能將材料與鋼板的摩擦因數(shù)降低到0.1以下，將使結(jié)構(gòu)更安全.

（3）摩擦材料處于低壓力（4 MPa以下）時，摩擦是材料力學行為的主因；摩擦材料處于高壓力（8 MPa上）時，剪切是材料力學行為的主因.

（4）滑軌對材料的剪切作用強于對材料的摩擦作用，如果壓力過大，將導致材料剪切破壞.

綜上所述，如果能夠適當處理Nylatron 703XL的表面和邊緣，降低其與鋼板之間的摩擦因數(shù)，并對邊緣進行倒角以減小邊緣剪切力，可將Nylatron 703XL材料作為滑動摩擦材料，應(yīng)用于浮吊回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu).

參考文獻：

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LU Kailiang， QIU Huiqing， SONG Jiaqiang， et al. Wheel pressure simulative calculation and actual measuring verification of 7500 t floating crane turning support[J]. J Machine Des， 2009， 26（12）： 1923.

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[10]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析實例詳解[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2006： 164.（編輯武曉英）

滑動墊片由內(nèi)外2個獨立的144°弧形組成，外圓環(huán)的外徑為30 400 mm，內(nèi)徑為29 600 mm；內(nèi)圓環(huán)的外徑為28 400 mm，內(nèi)徑為27 600 mm；厚度均為50 mm.摩擦墊片應(yīng)用在回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)與吊機支座之間.摩擦材料單元類型采用C3D8R.滑軌和上層鋼板采用粘接形式連接，滑軌和摩擦材料采用面面接觸形式，采用庫侖摩擦模擬滑軌與摩擦材料之間的切向行為.

3.3約束、加載和分析

根據(jù)摩擦墊片的環(huán)形設(shè)計，將滑動摩擦材料底面和兩端面進行固定約束.模型建立一個靜態(tài)分析步和一個動態(tài)分析步，靜態(tài)分析步模擬滑動摩擦墊片承受上部壓力過程，動態(tài)分析步模擬滑軌與摩擦墊片產(chǎn)生滑動摩擦過程.

載荷有2種：一種是靜態(tài)分析步中對上部鋼板施加的均布載荷，分析摩擦材料承受靜態(tài)壓力的力學行為；另一種是動態(tài)分析步中對上部鋼板及滑軌施加的位移載荷，分析摩擦材料在承壓情況下發(fā)生滑動摩擦的力學行為.邊界條件和加載見圖6.

5結(jié)論

基于浮吊結(jié)構(gòu)，采用滑動摩擦材料Nylatron 703XL替換滾柱式回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)的新型設(shè)計進行材料性能研究.通過材料試驗以及非線性分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）Nylatron 703XL具有較好的承壓能力，在一定程度上可以替換金屬結(jié)構(gòu)，其壓縮性能呈現(xiàn)雙線性特征，對結(jié)構(gòu)分析影響顯著.

（2）在摩擦因數(shù)為0.18情況下，摩擦材料的最大von Mises應(yīng)力處于第二線性段，如果出現(xiàn)意外載荷，可能使材料屈服.如果能將材料與鋼板的摩擦因數(shù)降低到0.1以下，將使結(jié)構(gòu)更安全.

（3）摩擦材料處于低壓力（4 MPa以下）時，摩擦是材料力學行為的主因；摩擦材料處于高壓力（8 MPa上）時，剪切是材料力學行為的主因.

（4）滑軌對材料的剪切作用強于對材料的摩擦作用，如果壓力過大，將導致材料剪切破壞.

綜上所述，如果能夠適當處理Nylatron 703XL的表面和邊緣，降低其與鋼板之間的摩擦因數(shù)，并對邊緣進行倒角以減小邊緣剪切力，可將Nylatron 703XL材料作為滑動摩擦材料，應(yīng)用于浮吊回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu).

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LU Kailiang， QIU Huiqing， SONG Jiaqiang， et al. Wheel pressure simulative calculation and actual measuring verification of 7500 t floating crane turning support[J]. J Machine Des， 2009， 26（12）： 1923.

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ZHANG Haiyan， LI Genchen， WANG Shulun， et al. Research progress in applications of MC nylon[J]. Eng Plastics Application， 2010， 38（12）： 8890.

[5]張質(zhì)文， 虞和謙， 王金諾， 等. 起重機設(shè)計手冊[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 1998， 5152.

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