船用LNG裝卸臂旋轉(zhuǎn)接頭滾珠數(shù)量優(yōu)化研究

范 旭

船用LNG裝卸臂旋轉(zhuǎn)接頭滾珠數(shù)量優(yōu)化研究

范 旭

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452）

旋轉(zhuǎn)接頭用于實現(xiàn)船用LNG裝卸臂低溫管路系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)動態(tài)密封，是船用LNG裝卸臂的核心部件。本文基于Abaqus有限元軟件對LNG裝卸臂旋轉(zhuǎn)接頭整體進(jìn)行靜力學(xué)承載仿真，分別針對雙排滾道滾珠數(shù)目146、120、100、80、60進(jìn)行仿真計算。結(jié)果表明上下排滾珠的最大切應(yīng)力和最大等效應(yīng)力隨滾珠數(shù)目的增加先減小后增大，最佳滾珠數(shù)目為120。最后根據(jù)滾珠的最大接觸應(yīng)力與最大切應(yīng)力之間的關(guān)系，總結(jié)針對旋轉(zhuǎn)接頭滾珠應(yīng)力的數(shù)值模型。

LNG 旋轉(zhuǎn)接頭 Abaqus 滾珠數(shù)目 數(shù)值模型

0 引言

為響應(yīng)國家能源結(jié)構(gòu)升級和環(huán)保要求，我國的天然氣需求將越來越大，必然伴隨著大量LNG輸送。LNG輸送設(shè)備優(yōu)化成為關(guān)注的重點[1]-[4]。關(guān)鍵設(shè)備之一是LNG裝卸臂，旋轉(zhuǎn)接頭是其核心[5]，而其中的滾珠卻是旋轉(zhuǎn)接頭易損壞部件

雷凡帥等[7]研究了LNG裝車臂低溫旋轉(zhuǎn)接頭存在關(guān)鍵靜密封件普遍嚴(yán)重?fù)p毀等突出問題，提出了滾珠是旋轉(zhuǎn)接頭的易損傷零件。嚴(yán)宇等[6]對旋轉(zhuǎn)接頭整體結(jié)構(gòu)尤其是旋轉(zhuǎn)接頭密封裝置和內(nèi)圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，保障旋轉(zhuǎn)接頭使用效果和使用壽命。Thanh Phong Dao等[9]采用為剛體模型和虛擬工作方法對柔性機(jī)構(gòu)的柔性旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或柔性鉸鏈進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)設(shè)計和分析。Manfred等[10]提出了可以適用于聯(lián)合設(shè)計和負(fù)載的傳輸?shù)母叽蟮娜诵螜C(jī)器人一種新的離合器旋轉(zhuǎn)接頭。H. Takahashi 等[11]提供一種旋轉(zhuǎn)接頭是專為一個最小運(yùn)行成本的低溫制冷劑傳輸細(xì)節(jié)。接頭具有一系列的波紋管式機(jī)械密封隔離傳輸通道。廖祥林[12]研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)與滾道應(yīng)力之間關(guān)系，建立了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的軸承滾道應(yīng)力分析有限元模型，分析了軸承初始接觸角、溝曲率半徑系數(shù)、滾道排距、鋼球直徑與數(shù)量對最大滾道接觸應(yīng)力、最大切應(yīng)力和最大等效應(yīng)力的影響。羅繼偉等[13]人對滾動軸承的力學(xué)分析進(jìn)行了研究，并取得了一些理論，這些都為滾動軸承的力學(xué)理論提供了很大的參考價值，同時也為工程實踐提供了一定的借鑒意義。然而，目前關(guān)于旋轉(zhuǎn)接頭的研究分析，還存在一些不足，具體表現(xiàn)在: 1)力學(xué)模型不準(zhǔn)確。由于旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件較多，用三維模型計算工作量較大，因此此前一些研究都是對單一零部件進(jìn)行分析；2）還未有人針對LNG裝卸臂中旋轉(zhuǎn)接頭滾珠數(shù)量問題進(jìn)行研究，大多研究方向都在其密封性能。3）現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)接頭數(shù)量的確定參照依據(jù)是ISO281標(biāo)準(zhǔn)，盡管適用于滾動軸承，但對于旋轉(zhuǎn)接頭不具有針對性。

本文針對旋轉(zhuǎn)接頭在軸向單一載荷、復(fù)合載荷兩種力學(xué)工況下，利用Abaqus有限元軟件進(jìn)行模擬仿真，針對雙排滾道滾珠數(shù)目146、120、100、80、60進(jìn)行仿真計算對滾珠數(shù)目進(jìn)行研究，并且探究了滾珠數(shù)目與雙排滾珠最大等效應(yīng)力，最大切應(yīng)力等力學(xué)特征之間的數(shù)值關(guān)系，可以為LNG旋轉(zhuǎn)接頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 旋轉(zhuǎn)接頭簡介

旋轉(zhuǎn)接頭是LNG裝卸臂的核心部件，被喻為整臺裝卸臂的“心臟”，旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)如圖。旋轉(zhuǎn)接頭部件包含內(nèi)圈法蘭、外圈法蘭、內(nèi)圈Ⅰ、內(nèi)圈Ⅱ、外圈、若干滾珠及螺栓。其中外圈法蘭通過24個螺栓與外圈固定，內(nèi)圈法蘭通過24個螺栓與含滾珠軌道的內(nèi)圈Ⅱ連接固定，內(nèi)圈Ⅰ與外圈法蘭和內(nèi)圈法蘭間通過凹槽密封圈密封，內(nèi)圈Ⅰ與內(nèi)圈Ⅱ之間采用焊接固定，內(nèi)圈Ⅱ和外圈上分別有雙列滾珠滾道，內(nèi)圈Ⅱ和外圈雙列滾道間均勻分布滾珠146個。

圖1 LNG旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)圖

旋轉(zhuǎn)接頭是實現(xiàn)船用LNG裝卸臂與船體六自由度運(yùn)動對接的關(guān)鍵，每臺裝卸臂會安裝6個旋轉(zhuǎn)接頭共同構(gòu)成裝卸臂6自由度轉(zhuǎn)動對接體系。旋轉(zhuǎn)接頭外圈法蘭上部與外部管道焊接，內(nèi)圈法蘭下部與外部管道焊接，內(nèi)外法蘭與內(nèi)圈Ⅰ共同形成LNG輸送流體流通通道。工作過程中，旋轉(zhuǎn)接頭受到軸向力、徑向力、彎矩和LNG流體內(nèi)壓作用，受力工況復(fù)雜，同時，隨LNG裝卸臂不同作業(yè)動作，軸向力會在拉壓載荷上轉(zhuǎn)化，徑向力、彎矩的大小方向也會隨著發(fā)生變化。

2 優(yōu)化分析方案

2.1 傳統(tǒng)滾珠分析理論

2.1.1額定動載荷計算公式

Lundberg-Palmgren 理論認(rèn)為軸承滾道剝落起始于次表面裂紋，而最大正交切應(yīng)力是軸承滾道初始疲勞裂紋產(chǎn)生的原因。目前滾珠所用疲勞計算方法是ISO281 標(biāo)準(zhǔn)壽命計算方法，該方法基于Lundberg-Palmgren 理論，其具體計算公式的如下：

球軸承基本額定動載荷為：

2.1.2滾珠數(shù)量

旋轉(zhuǎn)接頭屬于非標(biāo)件，因此其滾珠數(shù)量的確定無法參照其他軸承標(biāo)準(zhǔn)，而根據(jù)額定動載荷公式中，滾道中的滾珠數(shù)量越多，額定動載荷也越好，故原滾珠數(shù)量計算如下：

圖2 旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)圈尺寸圖

n為單排滾道中滾珠數(shù)量，R為滾道半徑，D為滾珠直徑。由于旋轉(zhuǎn)接頭中含有兩條滾珠滾道，故總數(shù)量為：

N為旋轉(zhuǎn)接頭中滾珠總數(shù)量。根據(jù)實際安裝情況，最后確定滾珠最大數(shù)量為146。

2.2 網(wǎng)格劃分

由于旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在有限元計算時涉及到力的傳遞，無法僅僅以滾珠為目標(biāo)模型，故采用ABAQUS軟件對旋轉(zhuǎn)接頭整體進(jìn)行靜力學(xué)仿真。部件包含一個外法蘭、一個外圈、146顆滾珠、一個內(nèi)圈、一個內(nèi)法蘭及48顆螺栓，有限元仿真時，需要對各個部件獨立劃分網(wǎng)格、定義部件間相互作用、設(shè)置載荷和邊界等。

部件采用六面體網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分時，先對各部件進(jìn)行分區(qū)，嘗試不同分區(qū)方法使各部件能夠采用六面體離散掃掠劃分網(wǎng)格。選擇網(wǎng)格單元類型C3D8R，單元屬性為三維實體，每個單元含8個節(jié)點，采用一次縮減積分算法。該單元類型適用于復(fù)雜高度非線性接觸問題的求解。全模型共劃分網(wǎng)格單元1,725,527個，各部件網(wǎng)格劃分如圖1。

圖1 部件及整體網(wǎng)格劃分

2.3 相互作用設(shè)置

ABAQUS會在接觸主控面和從屬面的節(jié)點上建立相應(yīng)的方程，節(jié)點位置取決于面的離散方法。本模型中各關(guān)鍵部件的劃分網(wǎng)格很細(xì)，能很好的反映接觸面形狀，此時采用接觸面的離散方法采用應(yīng)力和接觸面法向壓力計算精度更高的面對面離散。

在接觸跟蹤方法上，本模型對不同接觸對采用不同方式。針對雙列滾珠滾道接觸，設(shè)置不連續(xù)精細(xì)網(wǎng)格劃分的滾珠表面作為從屬面，滾道表面作為主控面，接觸跟蹤方式采用小滑移，設(shè)置容差0.2，其余可能接觸采用有限滑移，節(jié)點表面調(diào)整采用只為調(diào)整到刪除過盈。

在旋轉(zhuǎn)接頭穩(wěn)定承壓時，滾珠滾道間的靜摩擦力是存在的，模擬真實的摩擦行為可能是非常困難的，因此在默認(rèn)情況下，ABAQUS使用一個允許“彈性滑動”的罰摩擦公式。“彈性滑動”是指表面粘結(jié)在一起時所發(fā)生的小量的相對運(yùn)動。ABAQUS會自動選擇罰剛度，從而這個允許的“彈性滑動”的滑動值只有單元特征長度非常小的部分那么大。罰摩擦公式適用于對大多數(shù)問題，其中包括大部分金屬成型問題。由此設(shè)置接觸屬性為切向有摩擦，根據(jù)實際滾珠滾道有潤滑液，摩擦系數(shù)采用0.1。接觸的法向行為選擇為“硬接觸”，該方法在計算過程中限制了可能發(fā)生的穿透現(xiàn)象，但接觸判定從接觸到分開時，接觸壓力會發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致接觸計算很難收斂。同時螺栓與法蘭及內(nèi)外圈的連接設(shè)置為綁定。

2.4 載荷設(shè)置

整體校核，外圈法蘭與管道焊接面為完全固定載荷，內(nèi)法蘭上部與管道焊接截面上施加荷載。

其中，軸向力為壓載荷，受力面為內(nèi)法蘭上部與管道焊接截面；徑向力和彎矩施加在內(nèi)法蘭上部與管道焊接環(huán)形截面中心。整體受力示意如圖2。

3 滾珠數(shù)目優(yōu)化設(shè)計

3.1 切應(yīng)力力學(xué)接觸模型

在一些研究中發(fā)現(xiàn)，滾動軸承在承受載荷后其表面出現(xiàn)疲勞起源于受力表面下面的一些點，而根據(jù)赫茲接觸理論無法準(zhǔn)確的計算，因此需要對次表面應(yīng)力與疲勞之間的關(guān)系，一些研究者發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)疲勞的原因是靜載荷作用下最大剪切力引起的，該最大剪切力位于接觸表面以下。因在z軸上滾動軸承的接觸應(yīng)力達(dá)到最大值，因此最大剪切力也在z軸上。在z軸方向上任意深度的各主應(yīng)力計算式為:

在確定各主應(yīng)力的值后，可依據(jù)Mohr圓定律得出在Z軸上的最大切應(yīng)力為：

圖5 滾珠數(shù)目146的下排滾珠應(yīng)力結(jié)果

3.2 單一載荷下力學(xué)分析

在160KN軸向力載荷下，只改變滾珠的數(shù)目，將滾珠依次設(shè)為146、120、100、80、60個，其余保持不變，計算模型，模擬計算結(jié)果。這里只展示滾珠數(shù)目為146時的單個滾珠應(yīng)力分布狀況，如圖6所示。

圖6 上下排滾珠最大應(yīng)力值隨滾珠數(shù)目變化

模擬146、120、100、80、60滾珠情況下得到滾道最大接觸應(yīng)力值、最大切應(yīng)力值、最大等效應(yīng)力值隨鋼球數(shù)量的變化如圖6（a）所示。上下排滾珠的最大切應(yīng)力隨滾珠數(shù)目變化的關(guān)系如圖6（b）所示。

由圖6（a）可知，其他條件一定，隨著鋼球數(shù)量的增加，上排滾珠最大接觸應(yīng)力減小且最小值約占最大值的25.3%，下排滾珠最大接觸應(yīng)力也減小且上排滾珠的最大接觸應(yīng)力約為下排滾珠的最大接觸應(yīng)力的93.99%，上下排滾道最大接觸載荷隨鋼球數(shù)量的增加而減小。上下排滾珠的最大等效應(yīng)力也隨著滾珠數(shù)目增加減小。

由圖6（a）、圖6（b）可知滾珠的最大等效應(yīng)力和最大切應(yīng)力都位于上排滾珠，最大接觸應(yīng)力位于下排滾珠。上下排滾道最大接觸應(yīng)力、最大等效應(yīng)力均隨著鋼球數(shù)目增加而減小，上下排滾珠的最大切應(yīng)力先減小后增大。考慮最大接觸應(yīng)力、最大等效應(yīng)力和最大切應(yīng)力綜合影響，推薦最優(yōu)滾珠數(shù)目為120個。

3.3 復(fù)合載荷下力學(xué)分析

仿真采用內(nèi)外圈及滾珠組成配件模型進(jìn)行40 KN軸向力、20 KN徑向力、45 KN·M彎矩載荷仿真，只改變滾珠的數(shù)目，將滾珠依次設(shè)為146、120、100、80、60個，其余保持不變，計算模型，模擬計算結(jié)果。這里展示滾珠數(shù)目為146時，上排滾珠應(yīng)力分布情況，如圖7所示。

圖7 滾珠數(shù)目146上排滾珠應(yīng)力結(jié)果

模擬146、120、100、80、60滾珠情況下得到滾道最大接觸應(yīng)力值、最大切應(yīng)力值、最大等效應(yīng)力值隨鋼球數(shù)量的變化如圖8（a）和圖8（b）所示。

由圖8（a）可知，其他條件一定，隨著鋼球數(shù)量的增加，上排滾珠最大接觸應(yīng)力減小且最小值約占最大值53.04%，下排滾珠最大接觸應(yīng)力也減小且上排滾珠的最大接觸應(yīng)力約為下排滾珠的最大接觸應(yīng)力的43.26%，上下排滾道最大接觸載荷隨鋼球數(shù)量的增加而減小。上下排滾珠的最大等效應(yīng)力也隨著滾珠數(shù)目增加減小。

由圖8（b）可知滾珠的應(yīng)力與滾珠數(shù)目之間的關(guān)系與只受純軸向力的變化相似，最大等效應(yīng)力和最大切應(yīng)力都位于上排滾珠，最大接觸應(yīng)力位于下排滾珠。上下排滾道最大接觸應(yīng)力、最大等效應(yīng)力均隨著鋼球數(shù)目增加而減小，上下排滾珠的最大切應(yīng)力先減小后增大。

圖8 上下排滾珠最大應(yīng)力值隨滾珠數(shù)目變化

圖9 上下排滾道最大應(yīng)力值隨滾珠數(shù)目變化

根據(jù)云圖發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)接頭的應(yīng)力最大處并不是上下排滾珠處，發(fā)生在滾道處，滾道處應(yīng)力隨滾珠數(shù)目變化如圖9（a）和圖9（b）。

滾道的應(yīng)力變化與滾珠數(shù)目的關(guān)系與滾珠應(yīng)力與數(shù)目關(guān)系類似，隨著滾珠數(shù)目增加，應(yīng)力都是先減小后有增大的趨勢。

3.4 針對旋轉(zhuǎn)接頭應(yīng)力數(shù)值模型

整理各工況及數(shù)量條件下最大切應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力之間的關(guān)系如圖10所示，并通過相關(guān)軟件進(jìn)行擬合分析，如表1所示：

結(jié)合表1和圖10可以看出，通過五種數(shù)學(xué)擬合方法將散點處理后，相較于線性擬合，乘冪擬合的誤差平方和最小，更能準(zhǔn)確的表現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)接頭中滾珠最大切應(yīng)力與最大接觸應(yīng)力之間的關(guān)系。

圖10 最大切應(yīng)力與最大接觸應(yīng)力擬合情況

表1 應(yīng)力各方式擬合結(jié)果

4 結(jié)語

1）通過對旋轉(zhuǎn)接頭整體進(jìn)行實際工況下模擬仿真，分析了其滾珠及滾道的最大切應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力和最大等效應(yīng)力，并且最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力（250 MPa），結(jié)果表明均符合強(qiáng)度設(shè)計要求。

2）分別單一載荷和復(fù)合載荷作用下，通過146、120、100、80、60的滾珠數(shù)目變化設(shè)置不同仿真組，分析比較最大接觸應(yīng)力值、最大切應(yīng)力值、最大等效應(yīng)力值與滾珠數(shù)目的關(guān)系，得出最優(yōu)滾珠數(shù)目為120。

3）對比了滾珠數(shù)目理論確定方法和有限元仿真確定方法之間的區(qū)別，可以為其他部件中的滾珠數(shù)目確定提供新的思路。

4）分別總結(jié)了最大接觸應(yīng)力和最大切應(yīng)力與旋轉(zhuǎn)接頭中滾珠數(shù)量之間的關(guān)系，并根據(jù)原有的滾珠-滾道模型，提出了針對旋轉(zhuǎn)接頭中滾珠問題的力學(xué)關(guān)系式。

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Research on Optimal Quantity of Rolling-ball of Marine LNG Loading Arm Swivel Joints

Fan Xu

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452)

TF978

A

1003-4862（2021）06-0089-06

2021-05-13

范旭（1985-），男，學(xué)士，工程師。研究方向：FPSO、LNG船舶建造與運(yùn)營相關(guān)技術(shù)。Email：hejp@cnooc.com.cn