卡樁器卡爪與鋼樁的等效摩擦系數(shù)分析

石臣剛 馬美琴

摘要：卡爪作為卡樁器夾持鋼樁的重要部件，其與鋼樁間的接觸關(guān)系極大地影響了卡樁器的承載能力。本文通過(guò)ABAQUS有限元仿真，得出了計(jì)算卡樁器夾持力與承載力關(guān)系的方法，通過(guò)等效摩擦系數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化受力關(guān)系，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：卡樁器;等效摩擦系數(shù);有限元模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：T426.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 研究背景

我國(guó)海洋面積廣闊，資源豐富，開(kāi)采程度較低，具有十分巨大的潛力。近年來(lái)，在我國(guó)近海海域，陸續(xù)地發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個(gè)油氣田資源，這些油氣田處于沉積盆地中，儲(chǔ)量十分豐富。大力開(kāi)發(fā)海洋油氣能源，有助于減少我國(guó)對(duì)進(jìn)口油氣能源的依賴(lài)。

海洋平臺(tái)是海上油氣開(kāi)采的重要設(shè)施，卡樁器是一種廣泛應(yīng)用于安裝深海固定式石油平臺(tái)的液壓夾具。目前廣泛應(yīng)用的安裝方法是使用鋼樁將石油平臺(tái)固定于海底，然后用卡樁器臨時(shí)連接鋼樁和導(dǎo)管架，進(jìn)行導(dǎo)管架的調(diào)平和灌漿工作，并在水泥漿固化期間起到抵御風(fēng)浪的作用。目前，卡樁器設(shè)備需要完全從國(guó)外進(jìn)口，其技術(shù)被外國(guó)壟斷，這對(duì)我國(guó)海洋油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分不利。因此，研制卡樁器，早日實(shí)現(xiàn)卡樁器國(guó)產(chǎn)化，對(duì)我國(guó)沖破國(guó)外技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)海洋油氣產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展都有著重要意義[1]。

位于卡樁器夾持油缸前端的卡爪作為卡樁器夾持鋼樁的重要機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)性能、可靠性關(guān)系到卡樁器整體作用效果和安全性。因此對(duì)卡爪結(jié)構(gòu)、卡爪與鋼樁間的作用原理研究是十分有必要的。本文通過(guò)有限元計(jì)算，對(duì)卡爪與鋼樁間的等效摩擦系數(shù)進(jìn)行了校核，并對(duì)比了幾種卡爪結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 卡爪與鋼樁間的受力狀態(tài)

鋼樁的受力狀態(tài)如圖2所示，鋼樁受到卡爪水平方向的 夾持力T，卡爪夾持力在鋼樁表面產(chǎn)生的豎直方向摩擦力與鋼樁自重G相互平衡。因此卡爪夾持力要能夠提供大于鋼樁自重的摩擦力，才能保證卡爪夾持鋼樁不會(huì)發(fā)生滑移，確保導(dǎo)管架不會(huì)發(fā)生傾斜，即需滿(mǎn)足以下條件：

3 卡爪夾持鋼樁施工過(guò)程有限元模擬

使用ABAQUS對(duì)卡爪夾持鋼樁施工過(guò)程進(jìn)行有限元分析計(jì)算。有限元計(jì)算分為兩個(gè)步驟：第一步卡爪施加夾持力;第二步對(duì)鋼樁施加一個(gè)豎向位移，此過(guò)程中鋼樁的最大豎向支反力即為卡爪夾持力所能承受的最大豎向載荷，分別對(duì)應(yīng)以下兩個(gè)分析步驟：

（1）卡爪對(duì)鋼樁施加106 N（約100 t）的水平推力（圖4）。

（2）對(duì)鋼樁部分施加5 mm的豎向位移（圖5）。

由圖7可知，鋼樁需要約45 N的豎向力才可以克服卡爪夾持力產(chǎn)生滑移，即卡爪與鋼樁間的等效摩擦系數(shù)為：

4 卡爪優(yōu)化

卡樁器的卡爪與鋼樁間的作用是在高壓、重載的環(huán)境下進(jìn)行的，卡爪與鋼樁間的摩擦系數(shù)μ的大小成為卡樁器維持導(dǎo)管架平衡的關(guān)鍵因素。

摩擦系數(shù)受到多方面的影響，主要有以下幾個(gè)因素[2]：

（1）法向壓力

庫(kù)侖摩擦定律：摩擦力跟作用在摩擦面上的正壓力成正比，跟外表的接觸面積無(wú)關(guān)，即摩擦系數(shù)是一個(gè)定值。

（2）金屬的種類(lèi)和化學(xué)成分

粘附性越強(qiáng)的金屬通常具有較大的摩擦系數(shù);硬度、強(qiáng)度越大的金屬摩擦系數(shù)越小;鋼隨其含碳量的增加，摩擦系數(shù)減小。

（3）變形速度

摩擦系數(shù)隨變形速度增加而有所下降。

（4）接觸表面的狀態(tài)

接觸表面越粗糙，摩擦系數(shù)越大;接觸表面越光滑，摩擦系數(shù)越小，但極其光滑的表面分子吸附作用會(huì)增強(qiáng)，反而會(huì)使摩擦系數(shù)增大。

綜合以上四種因素，在保證卡爪結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度的前提下，在設(shè)計(jì)卡爪結(jié)構(gòu)時(shí)，將卡爪與鋼樁的接觸部分設(shè)計(jì)為尖齒或開(kāi)槽，以增大接觸部位的接觸應(yīng)力，使之嵌入鋼樁內(nèi)部，從而提高卡爪夾持的摩擦力。這樣可以減小夾持油缸的噸位，降低夾持油缸液壓系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，減小對(duì)油源的要求。

卡爪與鋼樁的夾緊作用靠卡爪齒尖嵌入鋼樁外壁表面材料，鋼樁材料因屈服而產(chǎn)生屈服抗力，由該抗力所提供的剪切力來(lái)克服導(dǎo)管架的自重[3]。因此將卡爪與鋼樁接觸截面設(shè)計(jì)為三角形尖齒結(jié)構(gòu)，則卡爪齒的受力在平面內(nèi)如圖8所示，其中F為屈服抗力在豎直方向分力與摩擦力的合力。由于鋼樁屈服所產(chǎn)生的屈服抗力計(jì)算較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)便計(jì)算，將合力F作為等效的摩擦力，來(lái)仿真計(jì)算等效的摩擦系數(shù)，這樣的等效不會(huì)影響卡爪夾持能力的設(shè)計(jì)計(jì)算，因此是可行的。

卡爪的尖齒“咬入”鋼樁的過(guò)程與金屬切削過(guò)程有相似的地方，因此在鋼樁的材質(zhì)屬性中引入塑性應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)和損傷參數(shù)[4-5]，如圖10所示。

由圖12可知，鋼樁需要約1.26 N的豎向力才可以克服卡爪夾持力產(chǎn)生滑移，即卡爪與鋼樁間的等效摩擦系數(shù)為：

此數(shù)值大于優(yōu)化前的結(jié)果，在卡爪前端增加尖齒結(jié)構(gòu)，可以有效地提高卡樁器的夾持能力，同時(shí)降低了對(duì)液壓系統(tǒng)的要求，還可以減小夾持油缸的加工難度。

5 試驗(yàn)分析

按照理論計(jì)算與有限元計(jì)算結(jié)果，加工數(shù)件卡爪及試驗(yàn)鋼板（用于模擬鋼樁），來(lái)模擬卡爪夾持鋼樁及導(dǎo)管架自重對(duì)卡爪的拉力[6]。

卡爪使用硬質(zhì)合金鋼加工而成，尖齒部位經(jīng)過(guò)滲碳、淬火等熱處理以提高硬度，同時(shí)尖齒根部保持較好的韌性，防止尖齒因撞擊或受垂向載荷的剪切而斷裂。用于模擬鋼樁的試驗(yàn)鋼板材質(zhì)為DH36，與導(dǎo)管架鋼樁材質(zhì)相同，加工出與鋼樁直徑相等的圓弧來(lái)等比例模擬鋼樁形態(tài)。

不同大小的豎向壓力，得到的等效摩擦系數(shù)也不同。豎向壓力與等效摩擦系數(shù)的關(guān)系如圖14所示。

6 結(jié)論

（1）分析了卡樁器卡爪與鋼樁接觸的受力狀態(tài)，并使用有限元分析計(jì)算了鋼樁所受載荷與夾持力的關(guān)系，從而得到了等效摩擦系數(shù)。

（2）優(yōu)化了卡爪的結(jié)構(gòu)，通過(guò)卡爪前端尖齒來(lái)嵌入鋼樁內(nèi)部，大幅提高了等效摩擦系數(shù)。

（3）通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)化的結(jié)果，并得到了一組豎向壓力與等效摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)。

本文對(duì)卡樁器的重要部件卡爪進(jìn)行了研究，通過(guò)等效摩擦系數(shù)的計(jì)算為后續(xù)卡樁器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)工作提供了理論依據(jù)，對(duì)卡爪結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化及加工工藝的優(yōu)化都有很好的研究前景。

（責(zé)任編輯：武多多）

參考文獻(xiàn)：

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[3]喻宣瑞，李怡，肖波.鋼管樁剪力鍵在內(nèi)河碼頭中的運(yùn)用[J].水運(yùn)工程，2019（6）：70-74.

[4]喻宣瑞，李怡，張星星，等.鋼管樁中剪力鍵分配系數(shù)的數(shù)值模擬[J].水運(yùn)工程，2019（2）：145-149+162.

[5]吳美艷，余天慶.剪力環(huán)對(duì)鋼管混凝土粘結(jié)強(qiáng)度影響的試驗(yàn)[J].湖北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（1）：6-8.

[6]郭銀.港工鋼管樁剪力鍵優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2018.