一种新型高负载能力艉滚筒装置的设计

摘要：本文介绍了一种承载能力450t的艉滚筒装置。筒体面板选用AH32高强度钢，内部结构采用径向加强筋，在其径向30o、60o、210o、240o方位装有四根纵向加强筋板，以增加空心轴体的纵向强度。运用MSC.Patran/Nastran结构有限元方法分析艉滚筒与轴体的受力强度和稳定性，并在装置设计上着重考虑了艉滚筒的安装的方便性，转动的灵活性，使用的可靠性。

关键词：艉滚筒；有限元；高分子轴承；环氧树脂

1 引言

随着海洋资源的不断开发，用于海洋工程服务具备拖带功能的船也越来越受市场青睐，如拖带船舶、石油平台的起抛锚以及船舶的打捞和电缆的铺设等。艉滚筒的主要作用是：当多用途拖船帮助其它大型船舶和海上石油平台起抛锚及拖带作业时，缆索或锚链在拖船尾部甲板移动，　缆索或锚链通过尾滚筒可随其转动，减少滑动的摩擦阻力，　并避免滑动摩擦引起的尾甲板严重磨损。

随着海洋工程的不断发展，　多用途拖船的功率和拖带能力大大增加。我司承建的76米多用途工程船，主机1　2000　HP，　系柱拖力150　t。需配备直径3m、长度6.6　m、　承载能力450　t的艉滚筒。对于如此大尺寸、高负载能力的艉滚筒，需对其结构形式进行研究，以满足强度、安装方便和使用的可靠性要求。

2 结构分析

对于传统艉滚筒结构形式，通过增加型材的尺寸，只能在较小范围内提高艉滚筒的受载负荷，适应较小跨度和直径的艉滚筒。为进一步增大艉滚筒的结构尺寸及其承载能力，可增加梁结构弯曲强度，采用固定轴体，增加滚筒支撑点，即增加轴承个数的方式来实现。因此，对于轴体固定，滚筒回转的方式，将适用于大型艉滚筒的结构设计。即采用轴体固定、滚筒回转的分段式结构形式，加设一根空心轴，设置与筒体内部支承轴数目相同的轴肩用来支撑筒体，其两端采用法兰连接方式连接到船体结构上。这就是常用的单轴-单筒型式的艉滚筒[1]。

为了减少由于尺寸增大而迅速增加的重量，本尾滚筒的筒体面板选用AH32高强度钢，筒体内部采用径向加强筋，在其径向30o、60o、210o、240o方位装有四根纵向加强筋板，以增加空心轴体的纵向强度性能。目前，对于高载荷的艉滚筒，常采用单滚筒-单轴型艉滚筒，即采用法兰与船体结构连接，艉滚筒在其轴的两端分别受到一组螺栓的约束，这也给船体结构制作和安装的精度提出了非常高的要求。而承受低载荷的径向-纵向加强型艉滚筒，常采用轴与船体上的轴承连接[2]，该方，式安装相对容易。因此本设计综合了径向-纵向加强型和单滚筒-单轴型的特点、并充分考虑艉滚筒安装的方便性、转动的灵活性和使用的可靠性，提出了一种新型的单滚筒-单轴-轴叉型艉滚筒，如图1所示。这种结构型式能够承受大负载，安装方便，性能可靠。

3 强度和稳定性分析

连接到拖缆机和拖拽物的缆绳或锚链可通过艉滚筒来实现方向的偏转，艉滚筒主要载荷来自于与之接触的缆绳或锚链，滚筒则通过两个轴承绕轴体转动，轴体固定，滚筒所受合力在径向上一般为45°方向[3]，且基本恒定，如图2所示。

采用　MSC.Patran/Nastran　对艉滚筒进行了结构强度直接计算[4]。艉滚筒采用三维有限元模型，其中艉滚筒结构采用板壳单元模拟，轴及轴支撑座采用体单元模拟。将轴支撑座左右两端与船体接触处的边界约束条件视为简支，在计算中，载荷通过所建立的　MPC（多点约束单元）传递到结构上。材料选取见材料特性参数表1。

本方案计算时的合力为450*9.8=4410　KN，夹角为　90　度（如图2所示）。艉滚筒实际工作时，锚链或缆绳可能出现的位置贯穿单个滚筒长度，计算过程中需选取几个典型的位置来加载线载荷。无环形加强筋板加载时，筒体板材应力较大；在环形加强筋板处加载时，最大应力出现在筋板处。各个工况下，两端轴体的应力集中现象明显。所以，选取了两种最大受力的典型工况计算，第一种工况载荷作用在滚筒外侧，第二种工况载荷作用在两档横向强构件之间。

典型工况一：载荷作用在滚筒外侧，应力云图见图3至图7。

3.1 结构强度校核

滚筒内部框架结构材料采用ABS-A　时，　合成应力安全系数取3，　合成应力许用值为：　235/3=78.3　MPa。

滚筒外板结构材料采用　AH32　时，合成应力安全系数取　3，合成应力许用值为：　315/3=105　MPa。

轴及轴头基座采用锻钢件，其材料为35#碳钢，抗拉强度为　650　N/mm2，屈服强度为320　N/mm2，合成应力安全系数取　3，合成应力许用值为：320/3=10.7　MPa。

通过的应力分析，得到的强度校核如下（见表3、表4　）：

由计算结果可知，滚筒结构件的计算值均小于许用值，滚筒结构能够满足强度要求，并能承受3倍的瞬时冲力。

3.2 结构稳定性分析

当结构所受载荷达到某一值时，若增加一微小的增量，则结构的平衡位形将发生很大的改变，这种情况叫做结构失稳或屈曲。　对于艉滚筒，同样需要考虑其结构的稳定性，因此对艉滚筒在最危险工况加载条件下进行屈曲分析，由屈曲分析计算结果可知屈曲载荷因子λ大于1，因此艉滚筒在安全工作载荷下工作时满足稳定性要求。

筒体板使用高强度的AH32，板材厚度只需45　mm，如果筒体板采用ABS-A，板材要70　mm才能达到同等的力学性能，因此我们可以从改变结构形式和提高材料强度两方面来减少艉滚筒的重量，保证转动的灵活性。

4 安装的方便性和使用的灵活性

如图13所示，筒体①由轴毂、泄放管和高分子轴承组成了滚筒转动体。支撑轴②由两端的轴头和中间段钢管连接而成，两端轴头红套不锈钢衬套，中间钢管用环氧树脂棉包裹，起到防腐蚀作用。支撑轴固定在轴叉④内。形成了单滚筒-单轴-轴叉的艉滚筒型式。

环氧树脂安装：先按照尺寸拉线定位，把轴叉焊接到船体结构上。再把艉滚筒和支撑轴整体吊装插入轴叉位，调节艉滚筒中心线与船中线垂直分中，现场测量、加工和安装隔离垫块⑤。最后，用环氧树脂③填充轴端面与船体结构的间隙，防止轴的横向窜动；轴头上焊接止动块，防止轴的纵向窜动。采用轴叉支撑，靠环氧树脂和隔离垫块定位，该方式可以把船体的制作误差、艉滚筒的制作误差和轴叉的定位误差，通过调整环氧树脂和隔离垫块厚度来消除横向的整体误差，通过调整环氧树脂的厚度来调整纵向的整体误差。这样就可以大大降低船体结构制作精度的要求，同样也降低了支撑轴叉的定位精度，大大减少了制作和安装难度，缩短了生产周期。

开式和冷却：采用鲨鱼钳的冷却水泵压力注入冷却水，通过轴头的孔进入高分子轴承，和冷却高分子轴承，循环完成的水从泄放管中流出。选用低摩擦系数和高承压比的高分子轴承，可有效的减小轴径，同时获得更好的转动的灵活性，有效减少拖缆绞车的摩擦功率损失。

5 结论

本文设计的单滚筒-单轴-轴叉型艉滚筒，满足450t承载要求（3倍安全系数），瞬间承载达到1350　t，满足大拖力工程船的工况需求，并已运用于76米12000　HP的海洋工程船上。

艉滚筒面板选用AH32高强度钢，轴体内部除装有径向加强筋外，在其径向30o、60o、210o、240o方位装有四根纵向加强筋板，可以大大减轻艉滚筒的重量。

采用轴叉支撑，靠环氧树脂和隔离垫块定位。该方式方便的把船体的制作误差、艉滚筒的制作误差和轴叉的定位误差消除掉。这样就可大大降低船体结构制作精度的要求，同样也降低了支撑轴叉的定位精度，大大减少了制作和安装难度，缩短了生产周期。

压力开式和冷却系统，可以减少轴承干磨的可能性，同时有利于冲走沉淀在轴承位的杂质和海生物，减少轴承的磨损。

选用低摩擦系数和高承压比的高分子轴承，可有效的减小轴径，获得更好的转动的灵活性，有效减少拖缆绞车的摩擦功率损失。

参考文献

[1]　桑巍，孙雪荣.多用途拖船尾滚筒结构强度计算及研究[J].　船舶，　2006（2）：　46-48.

[2]　王良武，周瑞平，高宏.大型船用尾滚筒结构设计计算研究[J].船舶工程.2010

5　10-14.

[3]　李康康，张　驰，周瑞平.YX3138　多用途供应船尾滚筒设计计算及研究[J].船

舶.2011　10　5-22

[4]　MSC.　PATRAN　&　MSC.NASTRAN使用指南[Z].　北京BUAA，　2002.

[5]　黄巍巍，冯晓慧，王逸英.环氧树脂在尾滚筒安装中的应用，科技论坛

[6]　CTOM　H　白金辉.塑料滑动轴承的比压计算.起重运输机械.1983.3.60-62.