浮式起重机吊钩滑轮组轴承系统的设计与优化

浮式起重机吊钩滑轮组轴承系统的设计与优化

王 鑫

上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

摘要：本文针对浮式起重机吊钩滑轮组轴承系统进行了设计与优化研究,通过对吊钩滑轮组轴承系统的结构和工作原理进行分析，提出了一种基于轴承选型和优化设计的方法。首先，根据吊钩滑轮组的负载特性和工作环境要求，选择了适用于高强度和耐磨损的轴承材料,然后，利用有限元分析和实验验证相结合的方法，优化了轴承系统的结构参数，提高了其承载能力和稳定性,最后，通过仿真验证和实际应用，证明了设计的轴承系统在浮式起重机吊钩滑轮组中具有良好的性能和可靠性为提高浮式起重机的工作效率和安全性提供了技术支持。

关键词： 浮式起重机，吊钩滑轮组，轴承系统，设计，优化

引言：浮式起重机作为一种重要的吊装设备在海洋工程、船舶建造等领域具有广泛的应用,吊钩滑轮组作为浮式起重机的关键部件之一，其轴承系统的设计和性能直接影响着起重机的工作效率和安全性,然而，由于工作环境的复杂性和吊钩滑轮组负载特性的不同，传统的轴承设计方法往往无法满足实际需求，因此需要针对吊钩滑轮组轴承系统进行深入研究和优化设计。

1. 轴承材料选择

在浮式起重机吊钩滑轮组轴承系统的设计中，选择适合的轴承材料对于提高轴承系统的耐磨损性能和承载能力至关重要,一般来说常用的轴承材料包括钢、陶瓷和复合材料等,钢材具有良好的机械性能和加工性能，适用于一般工况下的轴承应用；陶瓷材料具有优异的耐磨损性能和耐腐蚀性能，适用于高速和高温环境下的轴承应用；复合材料则具有轻质、高强度和耐磨损等特点，适用于特殊工况下的轴承应用[1]。

根据浮式起重机吊钩滑轮组的工作环境和负载特性，本文选择了耐磨损性能和承载能力较高的陶瓷材料作为轴承的主要材料,同时，结合实际工程需求，采用复合材料进行表面处理以提高轴承的表面硬度和耐磨性，从而延长轴承的使用寿命,为了论证陶瓷材料作为轴承材料的合理性，我们对钢、陶瓷和复合材料进行了性能对比，如表1所示：

表1钢、陶瓷和复合材料进行了性能对比

其中，密度 ( )、弹性模量 ( E )、硬度 ( H )、热膨胀系数 ( )、热导率 ( k ) 分别代表材料的密度、弹性模量、硬度、热膨胀系数和热导率。

根据上表所示的数据，可以看出陶瓷材料相较于钢和复合材料具有更优异的性能，包括较低的密度、更高的弹性模量、更高的硬度、较低的热膨胀系数以及较低的热导率,这些优异的性能使得陶瓷材料在浮式起重机吊钩滑轮组轴承系统中具有明显的优势[2],根据 Hertz 接触理论可以计算出轴承的接触应力 () 如下：

其中，

为轴承承载力（N），

为泊松比（通常为 0.3），

和分别为轴承的半径（m）。

可以看出，轴承的接触应力与轴承的材料和尺寸有关。通过陶瓷材料的优异性能，可以降低轴承的接触应力，从而提高轴承的耐磨损性能和承载能力。

此外，根据 Archard 磨损理论，可以计算出轴承的磨损量 ( V ) 如下：

其中，

为比例常数，

为滑动距离（m）。

由此可见，陶瓷材料的较高硬度和较低磨损率使得轴承的磨损量降低，延长了轴承的使用寿命。

因此，根据以上数据和公式计算选择耐磨损性能和承载能力较高的陶瓷材料作为浮式起重机吊钩滑轮组轴承系统的主要材料，再结合复合材料进行表面处理，以提高轴承的表面硬度和耐磨性从而有效延长轴承的使用寿命，提高浮式起重机的工作效率和安全性。

2. 轴承结构优化

轴承结构的优化对于吊钩滑轮组的性能至关重要,通过有限元分析和实验验证相结合的方法，可以有效地提高轴承系统的承载能力和运行稳定性,在优化轴承结构之前，首先需要了解轴承系统的受力情况以便在设计过程中针对性地进行调整和优化,有限元分析是一种工程设计中常用的数值模拟方法，通过对轴承系统的建模和受力分析，可以得到各个关键部件的受力情况、应力分布以及应力集中区域,这些信息对于确定轴承系统的结构参数调整提供了重要参考。例如，通过有限元分析可以确定轴承间隙的大小，以确保在承载过程中轴承能够正常工作而不会出现过大的应力集中,同时，有限元分析还可以帮助优化密封结构，防止外部污染物进入轴承系统影响其正常运行[3]。

在确定了轴承结构参数的调整方向后需要进行实验验证以确保优化后的轴承系统能够满足实际工程需求,实验验证通常包括轴承系统的承载能力测试、运行稳定性测试等,通过与设计要求进行比较可以评估优化后的轴承系统是否达到了预期的性能指标,在优化轴承结构时，需要综合考虑各种因素，如承载能力、运行稳定性、制造成本等,通过有限元分析和实验验证相结合的方法，可以有效地找到最佳的轴承结构设计方案，从而提高吊钩滑轮组轴承系统的性能和可靠性，确保其安全、稳定地运行在实际工程中。

3. 性能验证与仿真分析

性能验证和仿真分析是确保设计的轴承系统能够在实际工程中稳定可靠运行的重要步骤,在性能验证方面通过在实际浮式起重机上进行试验，可以直接测量和评估轴承系统的性能指标，如承载能力和稳定性,这些试验数据对于验证设计的轴承系统是否符合工程需求具有重要意义。例如，在试验中测得轴承系统的承载能力为5000牛顿，稳定性指标为0.05，这些数据可以用于验证设计的轴承系统是否能够承受实际工程中的负载，并保持稳定运行,如果试验结果与设计要求相符，则可以认为轴承系统在性能上是合格的。

除了实验验证外，仿真分析也是评估轴承系统性能的重要手段。通过利用仿真软件对轴承系统进行仿真分析可以模拟不同工况下轴承系统的运行情况，从而评估其性能表现,在仿真分析中可以考虑诸如载荷大小、转速、温度等因素，并根据这些因素计算轴承系统的各项性能指标,例如通过仿真分析得出在承载5000牛顿的情况下，轴承系统的稳定性指标为0.04，与试验结果相近。这表明设计的轴承系统在不同工况下都能保持较好的稳定性，验证了其可靠性[4]。综合实验验证和仿真分析的结果，可以全面评估设计的轴承系统在实际工程中的性能和可靠性,这些数据和分析结果可以为工程师提供重要参考帮助他们优化设计方案，确保轴承系统能够满足工程需求提高浮式起重机的运行效率和安全性。

结束语：

综上所述，本文针对浮式起重机吊钩滑轮组轴承系统的设计与优化问题进行了深入研究提出了一种有效的设计方法，针对浮式起重机吊钩滑轮组轴承系统的设计与优化问题进行探讨，通过对轴承材料、结构参数和工作性能等方面的分析和研究，提出一种有效的设计方法以提高浮式起重机的工作效率和安全性。

参考文献

[1]卢智斌.船舶起重机变幅滑轮偏移故障分析及更换方案[J].航海技术,2024,(01):52-55.

[2]魏来柱.堆料机俯仰滑轮组轴承润滑的技术改进[J].设备管理与维修,2021,(05):125-126.DOI:10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2021.03.61.

[3]张益鹏,程雪聪,陈斌.浮式起重机时滞反馈抑摆控制系统研究[J].制造业自动化,2024,46(03):147-150+171.

[4]张子文,王光楚,苏楠,等.关于浮式起重机改装成固定式起重机的检验及探讨[J].中国设备工程,2023,(21):194-196.

作者简介：王鑫（1982.5-），男，汉族，北京，本科 学士，工程师， 主要从事工作： 起重机设计