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起重机卷筒强度和稳定性理论分析与试验研究

肖汉斌  
【摘要】: 随着全球经济一体化的不断发展,服务于国际贸易的远洋船舶单体载重能力也日益增大,目前最大的集装箱船的载箱量已达8000TEU,最大的散货船舶载重量已达40万吨。与此相应地,港口起重机也出现了大型化、高速化的发展趋势,其关键零部件工作性能的要求也越来越高。但工程实践表明,起重机卷筒传统的设计计算方法偏于保守,用传统方法设计现代起重机械的起升机构,会导致卷筒壁厚增加,这样不仅对焊接卷筒的弯曲、加工带来困难,而且往往会加大设备自重使起升机构工作性能降低。为此,有必要研究并寻求一种更加科学合理又能减薄卷筒壁厚的设计理论和方法。 本文结合交通部重点科技项目“港口起重机钢丝绳传动件高性能技术研究”和上海振华港机股份有限公司委托项目“起重机焊接卷筒极限壁厚研究”,针对起重机卷筒传统设计方法偏于保守的情况,以薄壳理论和近代力学为基础,以现代试验技术为研究手段,对钢丝绳紧箍力作用下的外载特性、端板、绳槽等因素对卷筒强度和稳定性的影响进行了系统的理论研究,在深入开展卷筒强度、稳定性和实验模态分析等试验的基础上,提出了有别于传统方法的卷筒强度、稳定性计算方法。 基于粘弹性力学理论,对钢丝绳结构进行了位移松弛试验,在此基础上完成了钢丝绳时间相依性研究,提出了钢丝绳松弛模量计算模型。在考虑钢丝绳时间相依特性的前提下,利用钢丝绳卷绕前后的能量守衡关系推导了绳圈张力系数计算表达式,解决了钢丝绳紧箍作用下卷筒外载荷的特性问题及其绳圈张力相关的计算方法。 利用强度设计理论,结合卷筒实际受力特点,针对卷筒体在钢丝绳紧箍外压作用下产生沿卷筒径向、周向应力和轴向局部弯曲应力的情况,提出了以第四强度理论为依据的卷筒强度设计准则。 在进行卷筒模态试验的基础上,分析了卷筒端板和钢丝绳逐步卷绕过程对卷筒刚度的影响关系,在对大量的卷筒模态试验数据分析归纳的基础上,给出了钢丝绳全部绕满卷筒是最容易发生失稳的研究结论。同时,基于该结论在综合考虑卷筒端板、表面绳槽和钢丝绳变质量等因素的影响,利用薄壳 武汉理工大学博士学位论文 力学推导出了卷筒稳定性理论计算公式。 通过研制全比尺大型卷筒强度、稳定性综合试验装置,对起重机常用规 格的卷筒进行了各种壁厚条件下的应力测量试验,首次对卷筒体周向和轴向 应力随钢丝绳逐步加载过程变化的规律进行了研究,发现最大应力产生在钢 丝绳绕过后3~5圈截面处,该现象与理论分析结果也是符合的。试验结果表 明:传统的卷筒壁厚确定方法偏于保守,减薄卷筒壁厚是完全可行的。 在综合分析起重机卷筒强度、稳定性计算理论并进行大量试验研究的基 础上,对卷筒设计计算中绳槽凸筋的考虑方法进行了简化,给出了相应计算 图表;对卷筒强度、稳定性破坏形式的判断方法也进行了讨论,提出了切合 工程实际要求的实用化的卷筒设计计算方法。文中最后利用工程实际中正在 使用的卷筒为例对该设计计算方法进行了验算,证明了它的有效性和正确性。


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