，， ，

(1.中國(guó)船級(jí)社秦皇島分社，河北 秦皇島 066002；2.中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022；3.中國(guó)船級(jí)社天津分社，天津 300457)

某船廠多臺(tái)DY105船用克令吊車在最大承載能力下運(yùn)行時(shí)有異常響聲產(chǎn)生，通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)可確定聲源產(chǎn)生于基座法蘭盤(pán)和吊車回轉(zhuǎn)軸承的接觸面內(nèi)，異響較大時(shí)可觀測(cè)到吊車下端的回轉(zhuǎn)軸承和基座法蘭盤(pán)接合面間出現(xiàn)明顯徑向和周向錯(cuò)動(dòng)。基座法蘭盤(pán)和回轉(zhuǎn)軸承接合處的結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1，基座法蘭盤(pán)和回轉(zhuǎn)軸承之間通過(guò)68個(gè)螺栓進(jìn)行連接。

圖1 回轉(zhuǎn)軸承和基座法蘭盤(pán)之間的螺栓連接

該問(wèn)題是一個(gè)典型的接觸問(wèn)題，在吊車轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，法蘭盤(pán)和回轉(zhuǎn)軸承接觸面周期性的張開(kāi)和閉合以及接觸面的周向和徑向錯(cuò)動(dòng)很可能是產(chǎn)生異響的主要原因[1]。

1 主要原因的初步分析

螺栓，法蘭以及回轉(zhuǎn)軸承交界的地方，必須保證足夠精細(xì)的網(wǎng)格劃分來(lái)使得計(jì)算結(jié)果盡量精確。根據(jù)對(duì)稱性邊界條件建立半個(gè)模型，對(duì)其進(jìn)行加載，在初步分析中，考慮建模和劃分網(wǎng)格的方便，采用圓柱形基座代替圓錐形基座進(jìn)行建模，螺栓采用圓柱體進(jìn)行建模[2-3](該吊車螺栓預(yù)緊力為33 kN)。在吊車頂端設(shè)置剛性面，通過(guò)在剛性面上施加凈力矩(該吊車額定凈力矩為1 008 N·m)來(lái)考察結(jié)構(gòu)的變形?；锥瞬捎霉讨н吔鐥l件，約束基座底端節(jié)點(diǎn)上的所有位移和轉(zhuǎn)角；在模型切開(kāi)面上施加對(duì)稱性邊界條件，見(jiàn)圖2。

圖2 法蘭和回轉(zhuǎn)軸承半模型

對(duì)法蘭盤(pán)和回轉(zhuǎn)軸承的接觸面周圍進(jìn)行局部網(wǎng)格劃分，在回轉(zhuǎn)軸承和法蘭盤(pán)的接觸面上分布面接觸單元，定義該法蘭盤(pán)表面為柔性面，回轉(zhuǎn)軸承下表面為剛性面[4]。

初步分析認(rèn)為，即使在接觸面上摩擦力系數(shù)設(shè)置為0的情況下，僅僅依靠螺栓的抗彎性能，在接觸面上的徑向和周向錯(cuò)動(dòng)的量級(jí)相對(duì)于接觸面的張開(kāi)來(lái)說(shuō)也是小量，可以忽略，因此在下面的分析中本文主要關(guān)注接觸面上的最大張開(kāi)距離。

分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 法蘭盤(pán)和回轉(zhuǎn)軸承之間張開(kāi)和閉合示意

很明顯，整個(gè)接觸面受拉的一方，回轉(zhuǎn)軸承底面被拉起，接觸面之間出現(xiàn)了較明顯的裂縫；而另一端受壓下，回轉(zhuǎn)軸承底面和法蘭盤(pán)緊密地壓在一起?？梢耘袛啵摻佑|面的張開(kāi)很可能是響聲產(chǎn)生的主要原因，隨吊車頂端的轉(zhuǎn)動(dòng)，接觸面上不同部位的張開(kāi)和閉合會(huì)產(chǎn)生巨大的響聲。

下面對(duì)不同因素對(duì)接觸面張開(kāi)距離的影響進(jìn)行分析。

1.1 吊車凈力矩對(duì)接觸面張開(kāi)距離的影響

接觸問(wèn)題非線性較強(qiáng)[5]，本文通過(guò)設(shè)置不同的吊車凈力矩考察法蘭盤(pán)和回轉(zhuǎn)軸承接觸面最大張開(kāi)距離隨吊車凈力矩變化的關(guān)系。接觸面張開(kāi)距離大小隨吊車凈力矩增大而增加，且表現(xiàn)出一定的非線性：隨著吊車凈力矩的增加，張開(kāi)幅度呈加速增大趨勢(shì)，見(jiàn)圖4。

圖4 接觸面最大張開(kāi)距離隨吊車凈力矩的變化

這說(shuō)明在額定凈力矩1 008 N·m的時(shí)候，接觸面有一定程度的張開(kāi)，考慮到建造及運(yùn)行過(guò)程中的不確定性因素，接觸面實(shí)際張開(kāi)的距離可能更大，因?yàn)樵搩袅氐臄?shù)值(1 008 N·m)已經(jīng)到達(dá)了接觸面張開(kāi)的臨界值[6]，該數(shù)值小幅度增加，就會(huì)導(dǎo)致張開(kāi)距離的較大增加。

1.2 螺栓預(yù)緊力對(duì)接觸面張開(kāi)距離的影響

螺栓預(yù)緊力對(duì)于接觸面的張開(kāi)也有非常重要的作用，足夠的預(yù)緊力可以保證基座法蘭盤(pán)和回轉(zhuǎn)軸承之間能夠牢固地貼合在一起，從而不被拉開(kāi)，同時(shí)上下表面的緊密結(jié)合也提供了足夠的摩擦力，使得上下法蘭之間錯(cuò)動(dòng)比較困難。

下面針對(duì)1 008 N·m凈力矩下不同預(yù)緊力情況下的最大張開(kāi)距離進(jìn)行考察。所有螺栓的預(yù)緊力相同，從圖5可以看出，接觸面最大張開(kāi)距離隨預(yù)緊力的增大而迅速下降。在螺栓預(yù)緊力為330 kN時(shí)，接觸面有一定程度的張開(kāi)，而當(dāng)螺栓預(yù)緊力達(dá)到450 kN時(shí)，接觸面之間幾乎不張開(kāi)。

圖5 接觸面最大張開(kāi)距離隨螺栓預(yù)緊力的變化趨勢(shì)

1.3 法蘭盤(pán)厚度及基座高度對(duì)張開(kāi)距離的影響

法蘭部分的剛度是由法蘭盤(pán)的厚度以及基座高度共同決定的,因此有必要研究不同基座高度及法蘭盤(pán)厚度對(duì)接觸面張開(kāi)距離的影響[7]，基座法蘭盤(pán)厚度分別為56、76和96 mm時(shí)，接觸面最大張開(kāi)距離隨吊車凈力矩及基座高度變化的趨勢(shì)見(jiàn)表1。

表1 不同底座高度下的張開(kāi)距離

分析表1可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律。

1)基座高度越高，接觸面最大張開(kāi)距離越大，且吊車力矩越大，基座高度對(duì)于最大張開(kāi)距離的影響越大，這說(shuō)明基座剛度的強(qiáng)弱支持對(duì)于張開(kāi)距離有一定的影響，但是總體來(lái)說(shuō)影響有限；

2)法蘭盤(pán)厚度增大，接觸面最大張開(kāi)距離有所減小，但是這種影響相對(duì)于預(yù)緊力和吊車凈力矩的影響來(lái)說(shuō)相當(dāng)有限。

2 圓錐形基座建模方式分析

前面分析中基座采用圓柱形建模方式而實(shí)際建造過(guò)程中采用的是圓錐形基座。下面將對(duì)圓錐形基座情況下接觸面的變形進(jìn)行考察，進(jìn)一步反應(yīng)模型的實(shí)際情況，選取鋼材和鋼材的摩擦力系數(shù)為0.3，基座底端剛性固支，仍然僅建立半個(gè)模型進(jìn)行考察，中剖面上施加對(duì)稱性邊界條件，在吊車頂端通過(guò)剛性面施加凈力矩作用，見(jiàn)圖6。

圖6 基座法蘭盤(pán)和回轉(zhuǎn)軸承接觸分析有限元模型

2.1 算例1(預(yù)緊力33 kN，凈力矩1 008 N·m)

分析結(jié)果顯示，同等情況下圓錐形基座接觸面上的張開(kāi)距離相對(duì)于圓柱形基座減少了很多，僅相當(dāng)于圓柱形基座的1/3左右，這說(shuō)明圓錐形桶形基座對(duì)降低接觸面之間的張開(kāi)距離是大有裨益的[8]。隨著吊車凈力矩的增加，圓錐形基座下接觸面最大張開(kāi)距離也呈非線性增加，且隨著預(yù)緊力的增大，最大張開(kāi)距離也迅速減小，這說(shuō)明接觸問(wèn)題本身就是一個(gè)非線性比較強(qiáng)的問(wèn)題，在跨越臨界值以后，接觸面的最大張開(kāi)距離迅速增加。

圖7給出了接觸面上最大張開(kāi)距離處的局部變形情況，可發(fā)現(xiàn)上下表面明顯張開(kāi)，且有錯(cuò)動(dòng)。

其它各個(gè)方向上的錯(cuò)動(dòng)距離見(jiàn)表2，其中UZ表示對(duì)應(yīng)點(diǎn)的張開(kāi)距離，UX和UY表示接觸面內(nèi)的錯(cuò)動(dòng)。

圖7 接觸面上張開(kāi)示意

表2 法蘭盤(pán)厚度為71 mm時(shí)接觸面上最大張開(kāi)點(diǎn)處的位移 mm

2.2 算例2(基座法蘭盤(pán)厚度96 mm)

增大法蘭盤(pán)厚度可以提高基座法蘭盤(pán)的剛度，建立和算例1同樣的有限元模型，僅將基座法蘭盤(pán)的厚度從71 mm改為96 mm，預(yù)緊力仍然為33 kN，吊車凈力矩為1 008 N·m，計(jì)算結(jié)果顯示接觸面上最大張開(kāi)點(diǎn)的張開(kāi)距離有將近50%的減小，錯(cuò)動(dòng)距離也有所減小，見(jiàn)表3。

表3 法蘭盤(pán)厚度為96 mm時(shí)接觸面上最大張開(kāi)點(diǎn)處的位移

2.3 算例3(加肘板)

為了提高基座法蘭盤(pán)的剛度，在基座頂端和法蘭盤(pán)處添加肘板是方便可行的辦法[9]，見(jiàn)圖8。肘板的實(shí)際添加方案可以考慮68軸板，34軸板以及17肘板三種情況。從表4中可以看出肘板加強(qiáng)對(duì)于減小接觸面上的張開(kāi)是有效的，17個(gè)肘板足以大大減小接觸面上的最大張開(kāi)距離，更多的肘板是不需要的，然而值得注意的是該方案對(duì)于減小接觸面上的徑向錯(cuò)動(dòng)效果有限，僅當(dāng)68個(gè)肘板時(shí)，徑向錯(cuò)動(dòng)距離有比較明顯的下降。

表4 不同肘板加強(qiáng)方案接觸面上最大張開(kāi)點(diǎn)處的位移

圖8 肘板加強(qiáng)方案

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)上述接觸問(wèn)題的分析，可以看出克令吊車的凈力矩和螺栓的預(yù)緊力對(duì)接觸面張開(kāi)距離影響最大，基座法蘭盤(pán)的剛度影響較小。且這些影響因素與接觸面張開(kāi)距離呈較強(qiáng)的非線性關(guān)系，因此在以后的克令吊車設(shè)計(jì)中，必須充分考慮接觸分析，為設(shè)計(jì)儲(chǔ)備足夠的裕度，使吊車的額定工作環(huán)境避開(kāi)臨界值，從而減小甚至消除異響的產(chǎn)生。肘板方案僅是一個(gè)暫時(shí)方案，可以考慮在克令吊車的暫時(shí)修理中使用，但是考慮到克令吊車的長(zhǎng)期使用壽命，其設(shè)計(jì)裕度很低，不排除在以后的使用中，吊車會(huì)重新產(chǎn)生異響的可能性。

本文的計(jì)算結(jié)果具有比較高的精度，可以作為克令吊車的設(shè)計(jì)參照。由于本文的結(jié)果僅從定性上考慮各種因素的影響，且接觸問(wèn)題非線性較強(qiáng)，許多接觸參數(shù)的設(shè)置需要依賴于試驗(yàn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，因此，接觸面張開(kāi)距離的系列試驗(yàn)將成為需要進(jìn)一步深入研究的課題。

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