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(武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084)

大型拖拽绞车作为海洋平台、无自航能力船舶等设备移动的动力源，随着频繁的海上作业，海洋平台等海上作业设备越来越大，致使拖拽绞车的牵引力需求也越来越大，拖拽绞车的主要工作机构是滚筒，滚筒的承载能力主要取决于滚筒壁厚和滚筒直径[1- 7]。关于滚筒壁厚对承载能力的影响，有学者利用COSMOSWorks软件进行起重机滚筒的建模，分析滚筒应力和位移的分布规律，认为传统理论计算滚筒壁厚方法很保守，并发现单纯地依靠滚筒来承受载荷，滚筒壁厚会很大。故杨明等通过在滚筒内部增加筋板，使滚筒受力更加合理，优化了整体结构，为降低滚筒制造成本提供了一定的理论基础[9]。为此，借助于有限元分析工具，对大型拖拽绞车滚筒进行优化分析，分析纵向筋板布置形式对筒体应力的影响。

1 无内筋板滚筒受力模型分析

如图1所示，设滚筒的直径为D，滚筒厚度为δ，滚筒受钢丝绳的力为F，则滚筒在钢丝绳绕出端的压力σ1[1]为

(1)

式中：t为钢丝绳节距，t=1.01d。

钢丝绳绕出滚筒的局部弯曲应力为

(2)

则滚筒在局部所受的综合应力为

σ=σ1+σ2

(3)

图1 滚筒基本参数

由式(1)～式(3)可见，影响滚筒应力的主要因素是钢丝绳张力，滚筒壁厚和滚筒直径，但在实际中，随着钢丝绳长度和钢丝绳在滚筒上缠绕层数的不同，会导致滚筒的长度不同，滚筒应力也会不同，本文采用ANSYS软件对滚筒的受力进行分析，具体步骤如下。

式(1)对滚筒两边进行固定。

式(2)在滚筒外径上采用欧拉衰减原理进行钢丝绳力加载。

所研究的滚筒其外径为2 100 mm，钢丝绳受力为900 kN。

2 影响滚筒承载能力因素分析

在设计拖拽绞车时，钢丝绳的拉力作为一个输入参数已定，钢丝绳直径也已经确定，根据相应规范，滚筒直径也能确定，故滚筒壁厚成为主要的影响因素。采用ANSYS对其影响进行分析。

将proe模型导入ANSYS中，按照上面步骤加载完毕后，得到如图2所示的滚筒应力随滚筒壁厚变化曲线和如图3所示的滚筒变形量随滚筒壁厚变化曲线。从图2和图3可以看出，随着滚筒壁厚的增加，滚筒的应力和变形量均减小。同时从图2可知，应力值随着滚筒壁厚的增减，先迅速减小，到滚筒壁厚120 mm以后，减小幅度逐渐减缓；从图3可知，滚筒的变形量随着滚筒壁厚的增加，先迅速减小，当滚筒壁厚到达115 mm以后，减小幅度逐渐减缓。

图2 滚筒应力随滚筒壁厚的变化

图3 滚筒变形量随滚筒壁厚的变化

3 带内筋板滚筒承载能力分析

由以上分析可知，随着滚筒壁厚的增加，滚筒的应力越来越小，相应的变形量也越来越小，抵抗外载拉力的性能越来越好。但是，从工艺的角度去考虑，承受如此大力的滚筒，往往采用锻造，壁厚的增加，不仅增加了锻造的难度，同时增加了材料成本和整个滚筒的重量。故单独依靠增加滚筒壁厚来增加拖拽绞车的承载能力是不可取的，因此本文提出通过增加内筋板来提高滚筒的承载能力。

选取壁厚为90 mm的滚筒进行加筋板分析，按照上面相同的加载步骤，得到图4和图5的滚筒应力值和变形量随纵向筋板个数的变化曲线。

图4 滚筒应力随纵向筋板个数的变化

图5 滚筒变形量随纵向筋板个数的变化

图4和图5分别给出了筋板厚度为30 mm时，不同纵向筋板数量与滚筒应力和变形量之间的变化曲线，其中筋板是在滚筒内部均匀布置的(比如筋板个数为4个时，筋板间角度为90°)。从图4可以看出，增加前两个筋板时，应力迅速减小；在筋板个数为2～10个时，滚筒应力逐渐减小缓慢；当筋板个数大于10个后，滚筒应力减小缓慢。从图5可知，随着筋板个数的增加，滚筒变形量基本呈线性关系减小。故可知，纵向筋板的数量可以提高滚筒的整体刚度，可以有效地减小变形。

为了分析纵向筋板厚度对滚筒承载能力的影响，本文选取纵向筋板个数为4个，均匀布置，筋板厚度从0～50 mm均匀变化下的滚筒应力和变形量变化曲线。

图6和图7分别给出了随着筋板厚度变化，滚筒应力和变形量变化曲线，从图6可以看出，当筋板厚度在0～35 mm间，滚筒应力先迅速减小，而后缓慢减小；当筋板厚度大于35 mm以后，滚筒应力基本没有变化。

图6 不同筋板厚度下滚筒应力的变化

图7 不同筋板厚度下滚筒变形量的变化

从图7可以看出，当筋板厚度在0～30 mm时，滚筒变形量先迅速减小，而后慢慢减小；当筋板厚度大于30 mm后，随着筋板厚度的增加，滚筒变形量基本保持不变。

4 结论

对于特定工况下的滚筒，当承载能力一定时，单纯增加滚筒壁厚，不能有效的改善其承载能力。

通过改变滚筒内纵向筋板数量和厚度分析其对滚筒承载能力能力的影响，发现纵向筋板数量越大，滚筒的承载能力越好，筋板厚度不是越大越好。

建议在大型滚筒的设计中，应在设计范围内适当降低卷筒的壁厚，尽量增加纵向筋板的数量，同时纵向筋板的厚度不应过厚。

本文只分析了滚筒内纵向筋板布置形式对滚筒承载能力的影响，其他的比如横向筋板、横向和纵向筋板共同对滚筒承载能力的影响待进一步研究。

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