3000kW絞刀長軸系統(tǒng)設(shè)計

陳世明 熊天恒 詹映龍 余向前

摘 要：絞刀驅(qū)動軸是絞吸式挖泥船工程施工的核心設(shè)備，在運轉(zhuǎn)過程中受到回轉(zhuǎn)沖擊、軸向沖擊等多維度的沖擊載荷和周期性激振力。長軸系系統(tǒng)設(shè)計的重點是軸的強度計算。同時，長軸系軸承位于水線下，設(shè)計中采用賽龍軸承，采用以水代油的軸承綠色冷卻方式。

關(guān)鍵詞：絞刀軸；中間軸；賽龍軸承

中圖分類號：U664.2 文獻標識碼：A

Abstract： Cutter drive shaft is the key core equipment of ground suction dredger， bears the rotary impact， axial impact and other aspects of impact load and periodic vibration force in the process of running and the emphasis of long shafting design is the calculation of the shaft strength. At the same time， the bearing of it is located under the water line， the dragon bearing is adopted in the design with the green cooling mode of the bearing by water instead of oil.

Key words： Cutter shaft； Intermediate shaft； Dragon bearing

1 前言

絞吸挖泥船泥泵功率2 200 kW、泥泵排出口通經(jīng)900 mm、最大挖深30 m、最小挖深6 m，采用兩臺1650kW變頻電機，通過齒輪箱輸出到長軸系驅(qū)動絞刀頭，之間連接帶有彈性聯(lián)軸器、氣動離合器、安全離合器、安全聯(lián)軸器。

絞刀長軸系主要由絞刀軸、絞刀軸軸承、傳動中間軸、中間軸承等主要部件組成。軸系的設(shè)計是根據(jù)絞刀功率和額定轉(zhuǎn)速，設(shè)計絞刀軸徑、中間軸徑的具體尺寸，再進行軸承設(shè)計。長軸系簡圖見圖1。

2 絞刀軸系設(shè)計

該長軸系由三條中間軸、一條絞刀軸組成，總長約38 m（包括絞刀）。中間軸與絞刀軸之間采用高強度鉸制螺栓連接，絞刀頭與絞刀軸采用螺紋連接。中間軸依靠安裝在艙內(nèi)的3個中間軸承支撐，絞刀由安裝在首部的絞刀軸承支撐。中間軸承只承受扭轉(zhuǎn)力和彎曲力，不承受軸向力，絞刀頭的軸向力由齒輪箱內(nèi)部的推力軸承承受。所以中間軸承和推力軸承均采用賽龍高分子材料，同時用以水代油的軸承冷卻方式。

絞刀傳動系統(tǒng)要求工作最大傾角為60°，設(shè)計按最大傾角為65°。絞刀齒輪箱和聯(lián)軸器安裝在帶水密艙的橋架內(nèi)，不浸泡海水。齒輪箱為上入下出、雙輸入單輸出結(jié)構(gòu)，采用三級減速，輸出軸可承受雙向額定推力。齒輪箱輸入軸與輸出軸垂直偏移約1101 mm，水平偏移約 2x2 125 mm。齒輪箱重量約230000 kg。絞刀齒輪箱傳遞效率約 0.96。齒輪箱配有盤車裝置，能使絞刀頭緩慢轉(zhuǎn)動，以便拆卸或安裝絞刀頭。絞刀軸的轉(zhuǎn)向可調(diào)，轉(zhuǎn)速約為±1 r/min。該盤車裝置包括一臺電機（約37 kW）、減速箱及盤車離合器等組成

絞刀軸除受到扭轉(zhuǎn)力矩和彎曲力矩外，還受到周期性的沖擊載荷，長期工作后易出現(xiàn)材料的疲勞裂紋。影響材料疲勞的因素較復(fù)雜，軸長期受多次重復(fù)和變化的載荷導(dǎo)致軸的最大實際應(yīng)力超過材料的疲勞強度，使軸裂痕逐漸擴展就可能造成斷軸事故。對于任何絞刀軸系，不可能經(jīng)常處于設(shè)計工況下工作，因此要求軸具有一些儲備能力，使軸能經(jīng)受長期的循環(huán)載荷而不致因疲勞而破壞。為此采用高強度合金鋼40Cr作為軸的材料，并對軸進行熱處理，達到在足夠的塑性條件下具有更高強度極限。

3 絞刀長軸系統(tǒng)設(shè)計計算

3.1 傳動中間軸直徑計算

已知絞刀輸入軸功率P=3 000 kW，工作轉(zhuǎn)速n=30 r/min，軸材料為合金鋼40Cr。

由設(shè)計手冊查得合金鋼40Cr的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力τp為35～55 MPa，在對軸進行熱處理達到足夠的塑性條件下取τp=42 MPa，可得安全系數(shù)S=τp/τ=1.86。

由設(shè)計手冊查得在載荷確定不精確、應(yīng)力計算較粗略或軸徑較大（d > 200 mm） 條件下，軸強度校核的許用安全系數(shù)為1.8～2.5，取許用安全系數(shù)[SP]=1.8，則計算安全系數(shù)S>[SP]，軸的強度足夠。

3.4 絞刀軸強度校核

考慮絞刀軸受較大沖擊和周期性激振力，許用安全系數(shù)取上限Sp=2.5；由于絞吸挖泥船絞刀系統(tǒng)工況很復(fù)雜，僅僅按照常規(guī)的扭距因素校核強度往往不夠，需要考慮疲勞系數(shù)修正，工程中常用修正系數(shù)P取1.5，則[ Sp]=Sp.P=3.75

故計算安全系數(shù)S>[ Sp]，軸的強度足夠。

4 水下軸承設(shè)計

4.1 水下軸承選用

由于長軸系軸承位于水線下，受到海水浸泡容易腐蝕。絞刀軸承一般由軸承座、軸承內(nèi)不銹鋼套、賽龍軸承及冷卻艙構(gòu)成。

絞刀軸承潤滑要求如下：

（1）進水口壓力0.4～0.6 MP；（2）流量需求Q1=0.15 L/min x 軸徑（mm）=117 L/min；（3）絞刀軸承水流量7m3/h；（4）冷卻介質(zhì)海水；（5）進水管通徑DN25（2x）；（6）海水顆粒度≤175μm。

中間軸承潤滑要求如下：

（1）進水口壓力0.4～0.6 MP；（2）流量需求Q2=0.15 L/min x 軸徑（mm）=90 L/min；（3）中間軸承水流量16.2 m3/h；（4）冷卻介質(zhì)海水；（5）進水管通徑DN25（2x）；（6）海水顆粒度≤175μm。

絞刀軸承基本外形，見圖2。

中間軸承基本外形，見圖3。

賽龍軸承的基本參數(shù)如下：

工作溫度范圍為：-2～45 ℃；允許熱膨脹量：0.4 mm；軸承與軸之間運轉(zhuǎn)最小間隙：1.9 mm；

最小安裝間隙：3.16 mm；允許吸水脹量：0.81 mm。

賽龍軸承的主要特性如下：

（1）摩擦系數(shù)低，是一般水潤滑軸承的一半，可以降低起動轉(zhuǎn)矩，在清潔的環(huán)境中使用不開水槽的賽龍軸承更能增加工作效率，快速地產(chǎn)生潤滑水膜；

（2）可以在一定的時間（大約1～2分鐘）內(nèi)干運轉(zhuǎn)，不需預(yù)先用水潤滑，如果設(shè)備工作發(fā)生中斷也不會損壞軸承，可大大地避免因潤滑系統(tǒng)故障造成的軸承的損壞；

（3）抗磨能力強，當(dāng)摩擦粒子進入軸承內(nèi)部藉由彈力隨著軸滾動，掉入水槽后排出外面，不會卡在軸承上，能將軸承和軸的磨損降到最低；

（4）具有較高負載能力，與一般非金屬軸承相比長度可減短一半，可大地降低起動力矩；

（5）具有較高堅韌度和彈性，能吸收撞擊負荷，不會永久變形，其堅韌度是橡膠軸承的五倍；

（6）水油潤滑皆可，是油水混合環(huán)境中的最佳軸承；

（7）容易加工與安裝，沒有保存年限的限制。

4.2 水下軸承設(shè)計計算

賽龍軸承套外形，見圖4。

4.3 絞刀軸承設(shè)計計算

應(yīng)用供應(yīng)商提供的計算軟件，輸入絞刀軸直徑d1=780 mm，點取推薦軸承座內(nèi)孔尺寸，生成軸承座內(nèi)孔尺寸D1=870.41 mm；輸入中間軸承座長度L1=2 620 mm；軸承座承受負載取絞刀軸重量和絞刀頭重量之和28 390 kg；額定轉(zhuǎn)速30 r/min。點取計算結(jié)果，再點取打印輸出PDF版計算結(jié)果，得到絞刀軸承賽龍?zhí)變?nèi)徑D2=788.8 mm、外徑D3=875.35mm、長度L2=2593.62 mm、軸承套與軸承座過盈配合過盈量DW1= D3- D1=4.94 mm、軸承套與絞刀軸配合間隙Dn1= D2- d1=8.8 mm。

賽龍材料線性膨脹系數(shù)根據(jù)環(huán)境溫度有變化：當(dāng)t〉30 ℃，Te=18x10-5 l/℃；當(dāng)30℃〉t〉0℃，Te=15x10-5 l/℃；當(dāng)t〈0 ℃，Te=10x10-5 l/℃。工程中常采用液氮冷卻使賽龍軸承套收縮后壓裝進軸承座內(nèi)。

4.4 傳動中間軸承設(shè)計計算

應(yīng)用計算軟件，輸入中間軸直徑d2=600 mm，點取推薦軸承座內(nèi)孔尺寸，生成軸承座內(nèi)孔尺寸D4=675.29 mm。輸入中間軸承座長度L3=910 mm；軸承座承受負載，負載取中間軸重量17 800 kg；額定轉(zhuǎn)速30 r/min。點取計算結(jié)果，再點取打印輸出PDF版計算結(jié)果。得到中間軸承賽龍?zhí)變?nèi)徑D5=607 mm，外徑D6=679.2 mm， 長度L4=900.84 mm，賽龍軸承套與軸承座過盈配合，過盈量DW2= D6- D4=3.91 mm。賽龍軸承套與中間軸配合間隙Dn2= D5- d2=7 mm。

軸承套同樣采用液氮冷卻使賽龍軸承套收縮后壓裝進軸承座內(nèi)。

4 結(jié)束語

絞刀長軸系的設(shè)計是一個高度復(fù)合系統(tǒng)全過程的綜合設(shè)計，需要全面考慮絞刀型號、齒輪箱、聯(lián)軸器、離合器及驅(qū)動電機等部套件功能和性能的合理匹配性。本文主要從軸所承受的功率負荷來進行設(shè)計，今后可以通過對國內(nèi)外大功率、長軸系絞吸挖泥船的一些重要經(jīng)驗數(shù)據(jù)的收集，對設(shè)計進一步優(yōu)化，使軸系的設(shè)計在確保安全前提下更加經(jīng)濟環(huán)保。

參考文獻

[1] 周國慶，張興輝. 機械設(shè)計手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2] 馮孝中，李亞東. 高分子材料[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007.