基于NX NASTRAN的錨絞機(jī)卷筒及其制動(dòng)機(jī)構(gòu)受力分析

李文釗

（神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司，河北 滄州 061113）

0 引 言

港作拖船一般配備有1臺(tái)或2臺(tái)錨絞機(jī)，用于協(xié)助大型貨船完成靠離泊和拖航作業(yè)。錨絞機(jī)的卷筒及其制動(dòng)機(jī)構(gòu)是重要的承載部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性對(duì)于保障錨絞機(jī)和拖船安全運(yùn)行而言極為關(guān)鍵[1]。某港作拖船錨絞機(jī)在實(shí)際工作中經(jīng)常出現(xiàn)卷筒躥軸和制動(dòng)轂擋板變形故障，導(dǎo)致主軸、軸瓦異常磨損和制動(dòng)帶無法與制動(dòng)轂完全貼合，進(jìn)而使制動(dòng)力下降。本文采用NX軟件對(duì)發(fā)生故障的某港作拖船錨絞機(jī)的卷筒及其制動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維裝配建模，利用軟件自帶的前/后處理模塊對(duì)倒拖和支持載荷工況進(jìn)行有限元計(jì)算，分析故障發(fā)生的原因。

1 設(shè)備基本組成及工況

某港作拖船的錨絞機(jī)的主要結(jié)構(gòu)包括卷筒、制動(dòng)片、制動(dòng)抱帶、銷軸、制動(dòng)油缸、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、離合器、錨鏈輪、絞盤和基座，其中卷筒由卷筒體、卷筒擋板和制動(dòng)轂組成（見圖1）。制動(dòng)轂兩側(cè)設(shè)有凸臺(tái)，防止制動(dòng)片發(fā)生軸向移動(dòng)。制動(dòng)片和制動(dòng)抱帶分為上段和下段2部分，其中制動(dòng)抱帶的上段和下段由銷軸連接。錨絞機(jī)卷筒的容繩量為150m的φ110mm拖纜，制動(dòng)片、制動(dòng)抱帶及其銷軸組成其制動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2 三維模型建立

本文在對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行建模和有限元分析時(shí)均選擇使用NX軟件，NX集CAD（Computer Aided Design）和CAE（Computer Aided Engineering）功能于一身，可在建模后直接完成前/后處理，快速完成分析；同步建模功能非常方便模型調(diào)整，且網(wǎng)格等信息同步更新。

2.1 三維裝配模型

對(duì)某港作拖船錨絞機(jī)建立卷筒及其制動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維裝配模型，包括卷筒、制動(dòng)片、制動(dòng)抱帶和銷軸。2個(gè)卷筒擋板的外側(cè)分別均勻布置6塊肋板。卷筒制動(dòng)轂兩側(cè)設(shè)有環(huán)形凸臺(tái)，截面為10mm×10mm的矩形。制動(dòng)抱帶和制動(dòng)片上均勻布置有銅制螺釘，為減少計(jì)算量而將其忽略不計(jì)。在NX軟件中分別對(duì)四部件建立模型，并在裝配模塊中約束相對(duì)位置關(guān)系（見圖2）。

2.2 材料屬性和網(wǎng)格劃分

卷筒采用的鋼材為SS400，制動(dòng)抱帶和銷軸采用的鋼材為Q345，制動(dòng)片采用的材料為無石棉有機(jī)摩擦材料。查閱相關(guān)資料確定卷筒及其制動(dòng)機(jī)構(gòu)所采用材料的屬性見表1。

表1 卷筒及其制動(dòng)機(jī)構(gòu)所采用材料的屬性

對(duì)各部件指派材料之后，劃分各實(shí)體網(wǎng)格。綜合考慮計(jì)算的準(zhǔn)確度和計(jì)算量，采用3D四面體網(wǎng)格。為保證網(wǎng)格質(zhì)量，單獨(dú)對(duì)制動(dòng)轂凸臺(tái)進(jìn)行處理，并通過添加網(wǎng)格控件來對(duì)銷孔進(jìn)行細(xì)化。利用軟件自帶的網(wǎng)格檢查工具檢查單元質(zhì)量，結(jié)果顯示無失敗單元。網(wǎng)格劃分完成之后，卷筒模型單元數(shù)為12380個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為25061個(gè)；制動(dòng)片模型單元數(shù)為2734個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為6226個(gè)；制動(dòng)抱帶單元數(shù)為4577個(gè)；節(jié)點(diǎn)數(shù)為10249個(gè)，銷軸單元數(shù)為685個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1360個(gè)（見圖3和圖4）。

圖3 卷筒模型的網(wǎng)格劃分

圖4 制動(dòng)機(jī)構(gòu)模型的網(wǎng)格劃分

3 有限元計(jì)算

3.1 仿真類型和約束

采用裝配體進(jìn)行有限元計(jì)算分析。制動(dòng)片與制動(dòng)抱帶之間通過銅制螺釘固定，相對(duì)位移可忽略，接觸面的接觸類型設(shè)置為“面-面粘連”；銷軸與兩制動(dòng)抱帶耳板銷孔之間的接觸類型設(shè)置為“面-面粘連”；制動(dòng)轂與凸臺(tái)下表面之間的接觸類型設(shè)置為“面-面粘連”；其余接觸面的接觸類型均設(shè)置為“面-面接觸”。

在卷筒兩端軸孔處設(shè)置圓柱形約束，其中徑向自由度設(shè)為“固定”，其余設(shè)為“自由”。在制動(dòng)抱帶上段的自由端設(shè)置銷軸約束。

3.2 載荷計(jì)算和施加

港作拖船錨絞機(jī)一般有2種典型工況。

1) 工況一，倒拖載荷是拖船協(xié)助貨船離泊，錨絞機(jī)卷筒制動(dòng)之后通過纜繩將滿載貨船倒拖離開泊位時(shí)的負(fù)載。

2) 工況二，支持載荷是錨絞機(jī)卷筒制動(dòng)之后在纜繩拉力達(dá)到破斷力時(shí)的負(fù)載。

在工況一下，纜繩的拉力為600kN（第一層纜）；在工況二下，纜繩的拉力為1176kN（第一層纜）。

在2種工況中：外力是作用在卷筒上的纜繩拉力，而具體到制動(dòng)機(jī)構(gòu)，需利用制動(dòng)力來平衡外力；制動(dòng)力是通過操作制動(dòng)油缸收緊制動(dòng)抱帶，使制動(dòng)片與卷筒制動(dòng)轂接觸而產(chǎn)生的。根據(jù)撓性摩擦理論，制動(dòng)力的大小等于制動(dòng)抱帶緊邊F1與松邊F2的差值。纜繩作用在卷筒上的力主要表現(xiàn)為對(duì)卷筒體表面的壓力，需關(guān)注是卷筒體的強(qiáng)度和變形，纜繩在不同圈數(shù)上遵從一定的衰減規(guī)律。

根據(jù)撓性摩擦理論可求出制動(dòng)抱帶兩端的拉力F1和F2，從而確定制動(dòng)抱帶下段耳板銷孔的拉力[2]，即

式(1)和式(2)中：F1為緊邊拉力；F2為松邊拉力；μ為摩擦因數(shù)，取0.35；φ為制動(dòng)帶包角，取327°；p為制動(dòng)力（即纜繩拉力）。模型中卷筒的直徑為700mm，制動(dòng)抱帶的直徑為2150mm。2種工況下卷筒及其制動(dòng)機(jī)構(gòu)的載荷計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 2種工況下卷筒及其制動(dòng)機(jī)構(gòu)的載荷計(jì)算結(jié)果 單位：kN

研究制動(dòng)轂及其所在擋板的受力情況，由于卷筒與卷筒擋板是一體的，卷筒的變形情況對(duì)擋板有一定的影響?？紤]卷筒纜繩拉力對(duì)制動(dòng)轂所在擋板影響最大的情況，即當(dāng)?shù)谝粚永|繩出繩端緊鄰制動(dòng)轂所在擋板一側(cè)時(shí)，選取纜繩纏繞4圈，忽略其余圈數(shù)的影響。當(dāng)纜繩拉力作用在卷筒表面時(shí)，不同圈在卷筒表面產(chǎn)生的應(yīng)力不同。第一層纜繩的衰減規(guī)律[3]可表示為

式(3)和式(4)中：σ為應(yīng)力；μ1為摩擦因數(shù)，取0.15；smax為出繩端纜繩拉力；n為纜繩圈數(shù)；D為卷筒直徑；d為纜繩直徑，取110mm。2種工況下不同圈數(shù)纜繩的載荷計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 2種工況下不同圈數(shù)纜繩的應(yīng)力載荷計(jì)算結(jié)果 單位：MPa

2種工況下的載荷類型和載荷施加位置相同，只是數(shù)值有差別。在施加載荷時(shí)，對(duì)制動(dòng)抱帶下段耳板銷孔面施加軸承力，方向?yàn)橹苿?dòng)抱帶的切向。為方便施加載荷，對(duì)卷筒模型外表面進(jìn)行分割，從制動(dòng)轂一側(cè)開始，逐圈施加壓力載荷，施加載荷之后的模型見圖5。

圖5 施加載荷之后的模型

4 結(jié)果分析及解決方案

NX軟件中默認(rèn)的NX Nastran求解器與NX建模模塊無縫集成，適合大多數(shù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。此處采用該求解器對(duì)模型的2種工況進(jìn)行計(jì)算。孫凱等[3]和胡甫才等[4]分別對(duì)卷筒和帶式制動(dòng)器的受力情況進(jìn)行有限元計(jì)算，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證有限元分析方法的準(zhǔn)確性。此處采用類似計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果較為可信。

4.1 結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算，2種工況下卷筒及其制動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)力和位移分布規(guī)律相似，各部件的最大位移和最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4。以支持載荷工況為例，最大位移和最大應(yīng)力的位置見圖6～圖9。

表4 2種工況下各部件的最大位移和最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖6 制動(dòng)抱帶的位移云圖

圖7 制動(dòng)抱帶的應(yīng)力云圖

圖8 卷筒的位移云圖

圖9 卷筒的應(yīng)力云圖

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

1) 卷筒最大應(yīng)力在2種工況下均未超過材料許用應(yīng)力；制動(dòng)抱帶在倒拖載荷下的最大應(yīng)力滿足材料的要求，但在支持載荷下超過材料許用應(yīng)力，制動(dòng)抱帶會(huì)發(fā)生失效變形，無法將卷筒有效制動(dòng)。

2) 制動(dòng)抱帶在整個(gè)圓周方向受力明顯不均，制動(dòng)抱帶下段的應(yīng)力明顯大于上段，在反復(fù)制動(dòng)時(shí)更易疲勞損壞。同時(shí)，長期運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)造成制動(dòng)片的磨損程度不一，制動(dòng)力調(diào)整難度增大。

3) 制動(dòng)抱帶的載荷通過耳板銷軸傳遞，由于耳板處銷孔的接觸面積較小，加上工作時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)磨損，更易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4) 制動(dòng)轂及其所在卷筒擋板的變形位置可以印證制動(dòng)抱帶的變形規(guī)律。卷筒的應(yīng)力主要集中在筒體表面和制動(dòng)轂所在卷筒擋板根部且位移量較小，而制動(dòng)抱帶的作用力是造成制動(dòng)轂變形的主要因素。制動(dòng)轂所在卷筒擋板的肋板根部與支撐環(huán)不完全接觸，會(huì)造成應(yīng)力集中。

5) 卷筒整體向制動(dòng)轂一側(cè)產(chǎn)生位移，這與實(shí)際設(shè)備使用過程中出現(xiàn)的躥軸現(xiàn)象吻合。

4.2 解決方案

1) 在實(shí)際工作中，設(shè)備往往只在倒拖工況下運(yùn)行，因此可通過制動(dòng)液壓缸行程，適當(dāng)降低制動(dòng)力，從而減小制動(dòng)轂的應(yīng)力和位移。同時(shí)，設(shè)置卷筒輔助制動(dòng)設(shè)施，滿足支持負(fù)載工況下的應(yīng)急制動(dòng)需求。

2) 日常檢查保養(yǎng)的重點(diǎn)是對(duì)制動(dòng)抱帶耳板和銷孔的狀況進(jìn)行察看，發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)及時(shí)更換。

3) 在基座上的適當(dāng)位置處設(shè)置限位裝置，限制卷筒向制動(dòng)抱帶一側(cè)的軸向位移。

4) 針對(duì)制動(dòng)轂變形量較大的問題，可在制動(dòng)轂與擋板連接處增設(shè)局部肋板加強(qiáng)支撐，同時(shí)加大支撐環(huán)與肋板根部的接觸面積，減輕應(yīng)力集中現(xiàn)象，改造之后的卷筒模型見圖10。

圖10 改造之后的卷筒模型

5 結(jié) 語

本文采用NX軟件對(duì)發(fā)生故障的某港作拖船錨絞機(jī)的卷筒及其制動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有限元計(jì)算分析。結(jié)果顯示，在支持負(fù)載工況下，制動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)變形失效，軟件分析結(jié)論與實(shí)船故障情況基本吻合。此外，針對(duì)計(jì)算結(jié)果中的危險(xiǎn)點(diǎn)提出了解決方案，對(duì)港作拖船錨絞機(jī)的設(shè)計(jì)和使用具有指導(dǎo)意義。