大型浮吊滑动摩擦材料回转支撑力学行为
2022-06-09
摘要： 针对浮吊的轻量化设计，采用非金属滑动摩擦材料Nylatron 703XL取代以往的滚动式回转支撑.对Nylatron 703XL材料试样进行压缩试验，获得材料的压缩性能曲线，发现这种材料的压缩性能曲线呈现明显的非线性特征，对结构分析的影响显著.针对2×8 000 t大型浮吊，用Abaqus计算得到不同工况对Nylatron 703XL垫圈的力学响应和规律.计算分析摩擦因数对垫圈力学行为的影响.结果认为：Nylatron 703XL具有取代金属结构的能力，可以作为滑动摩擦材料；其在工程机械承载结构上应用的潜力巨大.
关键词： 浮吊； 轻量化设计； 回转支撑； 滑动摩擦材料； Nylatron 703XL； 非线性
中图分类号： TH218；TB115.1文献标志码： B
Abstract： As to the light weight design on a floating crane， the nonmetallic sliding friction material Nylatron 703XL is applied to replace the previous rolling rotary fulcrum. The compression test on a Nylatron 703XL specimen is performed to obtain the material compression performance curve. The compression performance curves present the obvious nonlinear characteristics， which have significant effect on the structural analysis. As to a 2×8 000 t floating crane， Abaqus is used to calculate the mechanical response and its rule of a Nylatron 703XL washer under different conditions. The effect of friction factor on the mechanical behavior of the washer is calculated and analyzed. The results indicate that， Nylatron 703XL has the ability to replace the metal structure and can be used as sliding friction material； its application potential in bearing structures of engineering machinery is enormous.
Key words： floating crane； light weight design； rotary fulcrum； sliding friction material； Nylatron 703XL； nonlinearity
引言
海洋工程的不断发展，促使浮吊朝大型化发展.浮吊的自身质量、起升高度和起升质量大大提高，导致浮吊底部回转支撑的滚子承受载荷极大，造成应力集中，使其很难滚动，给工程使用造成很大困难.浮吊自身质量越大，经济投入就越大，所以大型浮吊的轻量化设计成为未来浮吊产业发展的关键.浮吊的轻量化设计，不仅有对上部臂架结构的优化[1]，还有对底部支撑的优化.底部支撑质量巨大[2]，仅仅靠结构优化难以取得效果.综合以上2方面因素考虑，如果采用低密度材料进行替换，质量会大大降低.高分子材料具有轻量化、耐摩擦和抗腐蚀等优点[3]，如果能用在浮吊的关键部位，是很好的选择.
随着材料技术的发展，高分子材料种类越来越多，力学性能越来越强，并且在某些方面逐渐取代金属的地位.尼龙滑轮作为塔吊配件已经以其独特的优点渐渐代替老旧的金属滑轮，广泛应用于各起重设备中.起重机用的尼龙滑轮一般为MC尼龙[4]，强度比一般尼龙高1.5倍，超过常用工程塑料.起重机吊臂支撑用滑块过去一直都用黄铜制成，改用MC尼龙材料后，使用寿命提高4～5倍.高分子材料具有摩擦因数小、强度高、质量小和抗腐蚀等优点，使得其在吊机行业中的应用前景广泛.
塑料在工业上应用的历史比金属短得多，因此塑料的选择原则、方法和过程基本参照金属的做法.根据塑料的使用和工艺性能特点，结合具体的塑料零件结构设计进行合理选材，尤其应注意工艺和试验结果，综合评价后确定选材方案.本文选取力学性能优良的高分子材料Nylatron 703XL作为滑动摩擦材料，应用于浮吊的回转支撑，替换以往的滚动式回转支撑[5]，见图1.
采用滑动摩擦垫圈结构，使得回转支撑结构简单，质量极大减小，但对材料的力学性能要求较高：首先要有足够的弹性模量和压缩强度以承载，其次需要较好的摩擦性能使上部结构能够自由转动.
由于Nylatron 703XL是一种新型高分子材料，在应用上并不广泛，针对结构的应用也没有相应规范[67]，所以首先需要通过材料试验了解其力学性能，然后融入结构进行力学性能分析.
1摩擦回转支撑结构形式
本结构针对2×8 000 t海上浮吊进行设计，浮吊回转支撑采用双环形滑动摩擦垫片，每个环形垫片上部有滑动导轨与其接触摩擦，导轨上部与浮吊回转底盘焊接而成，见图2.浮吊工况载荷和自重通过上部臂架传递到回转底盘[7]，回转底盘通过滑轨将载荷传递到摩擦垫片，摩擦垫片将载荷作用于回转下支撑.结构具体参数见表1.
1—回转底盘；2—滑轨；3—摩擦垫圈；4—回转下支撑
滑动垫片由内外2个独立的144°弧形组成，外圆环的外径为30 400 mm，内径为29 600 mm；内圆环的外径为28 400 mm，内径为27 600 mm；厚度均为50 mm.摩擦垫片应用在回转支撑结构与吊机支座之间.摩擦材料单元类型采用C3D8R.滑轨和上层钢板采用粘接形式连接，滑轨和摩擦材料采用面面接触形式，采用库仑摩擦模拟滑轨与摩擦材料之间的切向行为.
3.3约束、加载和分析
根据摩擦垫片的环形设计，将滑动摩擦材料底面和两端面进行固定约束.模型建立一个静态分析步和一个动态分析步，静态分析步模拟滑动摩擦垫片承受上部压力过程，动态分析步模拟滑轨与摩擦垫片产生滑动摩擦过程.
关键词： 浮吊； 轻量化设计； 回转支撑； 滑动摩擦材料； Nylatron 703XL； 非线性
中图分类号： TH218；TB115.1文献标志码： B
Abstract： As to the light weight design on a floating crane， the nonmetallic sliding friction material Nylatron 703XL is applied to replace the previous rolling rotary fulcrum. The compression test on a Nylatron 703XL specimen is performed to obtain the material compression performance curve. The compression performance curves present the obvious nonlinear characteristics， which have significant effect on the structural analysis. As to a 2×8 000 t floating crane， Abaqus is used to calculate the mechanical response and its rule of a Nylatron 703XL washer under different conditions. The effect of friction factor on the mechanical behavior of the washer is calculated and analyzed. The results indicate that， Nylatron 703XL has the ability to replace the metal structure and can be used as sliding friction material； its application potential in bearing structures of engineering machinery is enormous.
Key words： floating crane； light weight design； rotary fulcrum； sliding friction material； Nylatron 703XL； nonlinearity
引言
海洋工程的不断发展，促使浮吊朝大型化发展.浮吊的自身质量、起升高度和起升质量大大提高，导致浮吊底部回转支撑的滚子承受载荷极大，造成应力集中，使其很难滚动，给工程使用造成很大困难.浮吊自身质量越大，经济投入就越大，所以大型浮吊的轻量化设计成为未来浮吊产业发展的关键.浮吊的轻量化设计，不仅有对上部臂架结构的优化[1]，还有对底部支撑的优化.底部支撑质量巨大[2]，仅仅靠结构优化难以取得效果.综合以上2方面因素考虑，如果采用低密度材料进行替换，质量会大大降低.高分子材料具有轻量化、耐摩擦和抗腐蚀等优点[3]，如果能用在浮吊的关键部位，是很好的选择.
随着材料技术的发展，高分子材料种类越来越多，力学性能越来越强，并且在某些方面逐渐取代金属的地位.尼龙滑轮作为塔吊配件已经以其独特的优点渐渐代替老旧的金属滑轮，广泛应用于各起重设备中.起重机用的尼龙滑轮一般为MC尼龙[4]，强度比一般尼龙高1.5倍，超过常用工程塑料.起重机吊臂支撑用滑块过去一直都用黄铜制成，改用MC尼龙材料后，使用寿命提高4～5倍.高分子材料具有摩擦因数小、强度高、质量小和抗腐蚀等优点，使得其在吊机行业中的应用前景广泛.
塑料在工业上应用的历史比金属短得多，因此塑料的选择原则、方法和过程基本参照金属的做法.根据塑料的使用和工艺性能特点，结合具体的塑料零件结构设计进行合理选材，尤其应注意工艺和试验结果，综合评价后确定选材方案.本文选取力学性能优良的高分子材料Nylatron 703XL作为滑动摩擦材料，应用于浮吊的回转支撑，替换以往的滚动式回转支撑[5]，见图1.
采用滑动摩擦垫圈结构，使得回转支撑结构简单，质量极大减小，但对材料的力学性能要求较高：首先要有足够的弹性模量和压缩强度以承载，其次需要较好的摩擦性能使上部结构能够自由转动.
由于Nylatron 703XL是一种新型高分子材料，在应用上并不广泛，针对结构的应用也没有相应规范[67]，所以首先需要通过材料试验了解其力学性能，然后融入结构进行力学性能分析.
1摩擦回转支撑结构形式
本结构针对2×8 000 t海上浮吊进行设计，浮吊回转支撑采用双环形滑动摩擦垫片，每个环形垫片上部有滑动导轨与其接触摩擦，导轨上部与浮吊回转底盘焊接而成，见图2.浮吊工况载荷和自重通过上部臂架传递到回转底盘[7]，回转底盘通过滑轨将载荷传递到摩擦垫片，摩擦垫片将载荷作用于回转下支撑.结构具体参数见表1.
1—回转底盘；2—滑轨；3—摩擦垫圈；4—回转下支撑
滑动垫片由内外2个独立的144°弧形组成，外圆环的外径为30 400 mm，内径为29 600 mm；内圆环的外径为28 400 mm，内径为27 600 mm；厚度均为50 mm.摩擦垫片应用在回转支撑结构与吊机支座之间.摩擦材料单元类型采用C3D8R.滑轨和上层钢板采用粘接形式连接，滑轨和摩擦材料采用面面接触形式，采用库仑摩擦模拟滑轨与摩擦材料之间的切向行为.
3.3约束、加载和分析
根据摩擦垫片的环形设计，将滑动摩擦材料底面和两端面进行固定约束.模型建立一个静态分析步和一个动态分析步，静态分析步模拟滑动摩擦垫片承受上部压力过程，动态分析步模拟滑轨与摩擦垫片产生滑动摩擦过程.