新型免维护双腹板滑轮动载性能试验与分析*

走过路过不要错过作者：丁 旭 翟金金 张 氢 秦仙蓉 孙远韬摘 要：设计了免维护双腹板滑轮试验台并进行滑轮动载试验。通过该动载试验装置，研究了此滑轮在额定动载荷和额定静载荷运转时腹板上的应力分布，从而确定滑轮在实际使用中的安全可靠性。通过对比动静载工况、钢丝绳不同偏角工况的试验数据，其结果表明各工况下滑轮材料均在线弹性范围内，证实该滑轮在大幅减重后其强度仍然符合设计要求，并有较大的安全系数储备，同时按设计要求能够达到免维护的使用性能，也较好地能够满足了船级社认证等各方面要求。0 前言随着海上工程装备及其功能多样性不断增多，其起重装备一直向着大型化、高速化、轻量化方向发展，现有的海洋工程装备也亟待发展革新[1]。滑轮作为钢丝绳传动的重要载体，其被广泛运用于上述重工平台之中，是整个传动系统中最基本的部件之一[2]。根据相关资料，世界钢消费量的0.3% 被用于制造钢丝绳[3]，与其配套的滑轮自然有着充分的市场需求，亟待更新的滑轮数量也有很大增长空间。传统的海工平台、港口机械大型滑轮通常采用为单腹板结构，该结构根据起重机设计规范确定的腹板厚度在实践中被证明是偏于保守的[4]。其直接造成滑轮的重量偏重，这会导致材料的浪费，无法顺应港口起重机轻量化的发展趋势，大重量还导致滑轮的转动惯量增加，不利于起重机起升机构运行速度的提高，尤其对于大钢丝绳倍率的高速起升机构更是如此。同时起重机械长时间工作有时候会在钢丝绳和滑轮槽之间产生磨损[5]，传统的滑轮其绳槽如果处理不当，在现代海工、港口机械作业要求的重载环境下使用时，其磨损将会增大，甚至出现压痕，造成提前失效。且一般需要日常的润滑保养，虽然自动润滑技术有所发展，但在冬夏两季温差较大环境下质量仍然不稳定。针对上述问题，本文在所设计的一种新型免维护双腹板滑轮基础上进一步进行了动载试验，进行多工况多条件下的静、动载试验，以通过试验定量验证新型免维护双腹板滑轮在减轻质量情况下的强度特性，并满足船级社等认证要求。1 新型滑轮设计本新型免维护双腹板滑轮为用于海上风电安装平台的Φ 1 250 冷轧绳槽薄壁重载滑轮，如图1 所示，其材料采用Q355，屈服强度为355 MPa。新型滑轮整体采用双腹板箱型结构，由两块用通孔穿管焊接在一起的腹板组成，双腹板板厚为12 mm，双腹板上四个孔与四个筋板八位均布，孔壁焊接封死，使双腹板组成抗失稳的箱型结构，同时也作吊装孔用。图 1 新型滑轮滑轮承载能力、稳定性和强度直接影响着结构的可靠性和安全性[6]，本滑轮结构形成薄壁结构，钢丝绳传递给滑轮的力均为压力，并无剪力、拉力、扭矩等，采用薄壁结构符合要求。双腹板结合薄壁绳槽，组成箱型结构提升了整体抗压的稳定性。通过进行双腹板箱型结构的设计，直接减少了原单腹板厚型结构的原料使用，在保证刚度、强度的基础上，最大限度地减少了质量。整体质量减轻程度方面，相较同直径的传统热轧滑轮轻20~30%，较铸造滑轮能够轻50% 左右。绳槽作为钢丝绳与滑轮直接发生接触的部位，其耐久性直接影响到滑轮的整体使用寿命。为了提升了滑轮绳槽的耐磨性，本新型滑轮通过冷轧应变硬化及热处理提升绳槽表面硬度，按照不同使用工况可相应处理提升到不同硬度水平。其次绳槽经过机加工后，保证其径向跳动（小于直径的1‰）、绳槽形状与光洁度达到要求。此外，冷轧的绳槽相较铸造而言材料致密性得到改善，在抗压磨损方面具有优点。同时，本新型免维护滑轮参照乘用车设计理念，使得滑轮轴与滑轮轮毂之间达成零间隙，腔内充满润滑脂，排除空腔状态，直接隔绝因为空气等交换带来的粉尘烟雾对滑轮内部结构材料的破坏与污染。同时按照10a 寿命选择润滑油，通过在锂基润滑油内增加添加剂，提升其附着力以及稳定性。滑轮在精选滚动轴承后在出厂前直接进行一次性注油处理，在之后的使用中并不需要进行定周期维护，润滑效果较为理想。且所设计新型滑轮经过5 a 使用，目前使用情况良好。2 试验装置设计为了验证所设计新型滑轮的性能以及承载能力，分析其在多种工况下的应力分布，设计了相应的试验装置，如图2 所示。图 2 试验装置实验装置基本工作原理是利用液压油缸的伸缩以及杠杆作用调节两滑轮的中心距离，闭合钢丝绳受拉通过紧贴试验滑轮对其进行施压，通过液压系统控制调节对滑轮进行载荷加载调节，其原理简图如图3 所示。驱动装置驱动滑轮旋转，以达到动载试验要求。通过液压缸的压力计数器进行读数并控制施加载荷大小保持在试验要求水平，同时提高了试验的效率。3 静动载试验研究进行试验是为了试验本新型滑轮在额定静载荷和额定动载荷运转时某些特定测点的应力分布，通过定量的数据分析，以确定滑轮在使用过程中的安全与可靠。图 3 试验装置原理简图3.1 试验布置与工况试验测点布置及其编号如图4 所示，布置了四处测点，其均分布腹板上，具体为靠近绳槽处（1 号测点），靠近腹板孔处（2 号测点）、靠近轮毂处（3 号、4 号测点）。图 4 测点布置、试验设计了四种工况进行加载，即分别由静载、动载，滑轮相对钢丝绳无偏角、5°偏角四种因素排列组成。钢丝绳均将拉力从0 加载至单绳1 200 kN。首先每次加载200 kN，直至加载至800 kN，继而每次加载100 kN达到1 200kN，每次加载均保持一段时间，卸载则与加载过程相反。3.2 试验结果与分析1）应力与载荷的线性关系 以静载无偏角工况下2号测点的应力变化情况为例，钢丝绳拉力达到200 kN、400 kN、600 kN、800 kN 时，2 号测点切向应力值依次为19.21 MPa、37.18 MPa、55.19 MPa、72.47 MPa，由图5 可见，应力结果与载荷呈现了很好的线性关系。图 5 钢丝绳无偏角工况测点2 切向应力时程曲线由所呈现的线性关系可知，在试验承受所设计四种工况下的载荷时，本设计的新型滑轮的材料始终处于线弹性范围，且未发现腹板与绳槽出现失稳现象。2）滑轮应力分布 通过试验采集对应测点的应变数据，可以得到新型滑轮在四种工况下每个测点的三个方向应力，由于仅凭测点的径向、轴向应力值无法较为直观地评估其应力状态[7]，因此通过Matlab 程序结合应变花计算公式得到各测点应力时程曲线，即得到各测点的von Mises 应力。其中经程序后处理过的静载无偏角工况下各测点应力时程曲线如图6所示。图 6 钢丝绳单绳拉力120 t（静载无偏角）时各测点应力时程曲线此种工况下，有限元计算模型的各测点应力云图如图7 所示，其各测点对照见表1。图 7 滑轮静载无偏角有限元应力云图由表1 可知，各测点试验所得的von Mises 应力与有限元计算模型误差均控制在13% 以内，这也体现了试验与计算模型的统一性以及合理性。新型滑轮在钢丝绳单绳1 200 kN 动载无偏角以及在1 200 kN 静动载5 °偏角时的各测点应力时程曲线如图8~10 所示图 8 钢丝绳单绳拉力120 t（动载无偏角）时各测点应力时程曲线图 9 钢丝绳单绳拉力120 t（静载偏角5°）时各测点应力时程曲线图 10 钢丝绳单绳拉力120 t（动载偏角5°）时各测点应力时程曲线四种试验工况的各测点最大应力可见表2，由表2可知：a、四种工况下均为腹板上通孔附近应力最大，腹板上靠近绳槽处应力较小；b、动载工况相较静载工况，在腹板通孔处应力峰值提升6~7%，在绳槽处提升50%，可见动载工况整体应力均有所增大，且动载对绳槽应力增加作用最为明显；c、偏角5°工况相较无偏角工况，应力仅有小幅增大，腹板通孔处最大应力提升2% 左右，可见本设计新型滑轮在存在偏角情况下应力分布并未产生明显改变，具有对偏角的适应能力。综合四种工况，试验最大应力为129.75 MPa，相较材料Q355 的屈服应力（355 MPa），有着较大的安全系数，应力方面表现出色，在减重的情况下其强度仍然符合设计要求。4 结语本文主要研究了新型免维护双腹板滑轮及其动载试验，设计了一款可以给滑轮进行额定静动载应力分布试验的大型滑轮试验台，其巧妙利用了杠杆结构，结合液压缸的使用，能够覆盖所有工况（动静载+ 偏角），且偏角工况可以达到5°偏角，液压缸施力范围广，对于滑轮重载试验大有裨益。通过新型滑轮在四种工况下的试验，结合数据后处理分析可知，本新型滑轮在大幅减轻质量的同时（轻30%），还有着较好的强度体现，有着较大的使用安全系数。且四种工况下，新型滑轮的材料始终处于线弹性范围，未发现腹板与绳槽出现失稳现象。试验数据表明，新型滑轮四种工况均为腹板通孔处应力最大，且动载工况相较静载工况应力峰值均有所提升，在绳槽处的提升达到了50% 左右。偏角工况相较无偏角工况应力有小幅提升，偏角往往对绳槽的磨损影响较大，新型滑轮通过对绳槽的处理，也能够较好适应此种极端大偏角工况。借助该试验装置和试验，该滑轮通过了中国船级社认证，此类滑轮在实际近5 a 使用中状况良好，均可证明该滑轮的优异性能和可靠性。通过试验可以认为新型滑轮具有高承载能力，且其免维护特性以及相应绳槽的处理也使得其更适应现场要求。举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章意大利杯：罗马不敌斯佩齐亚社区民警十六年如一日帮扶困难户周口中心城区新建五处文化空间「探索」重走百年崛起之路，“长三角红色档案珍品展”在沪开展！第三批出发！河北医科大学口腔医院百人核酸采集突击队应召出征

本文来源于程序自动整理，版权争议与本站无关，如有侵权，请联系我们。
冀州区扬禹水工机械厂
厂家直销，支持定制，量大优惠
手机：13663289587
地址：河北省冀州区高田工业区