3000kW绞刀长轴系统设计.docx

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3000kW绞刀长轴系统设计

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陈世明熊天恒詹映龙余向前

摘要：绞刀驱动轴是绞吸式挖泥船工程施工的核心设备，在运转过程中受到回转冲击、轴向冲击等多维度的冲击载荷和周期性激振力。长轴系系统设计的重点是轴的强度计算。同时，长轴系轴承位于水线下，设计中采用赛龙轴承，采用以水代油的轴承绿色冷却方式。

关键词：绞刀轴；中间轴；赛龙轴承

中图分类号：U664.2文献标识码：A

Abstract：Cutterdriveshaftisthekeycoreequipmentofgroundsuctiondredger，bearstherotaryimpact，axialimpactandotheraspectsofimpactloadandperiodicvibrationforceintheprocessofrunningandtheemphasisoflongshaftingdesignisthecalculationoftheshaftstrength.Atthesametime，thebearingofitislocatedunderthewaterline，thedragonbearingisadoptedinthedesignwiththegreencoolingmodeofthebearingbywaterinsteadofoil.

Keywords：Cuttershaft；Intermediateshaft；Dragonbearing

1前言

绞吸挖泥船泥泵功率2200kW、泥泵排出口通经900mm、最大挖深30m、最小挖深6m，采用两台1650kW变频电机，通过齿轮箱输出到长轴系驱动绞刀头，之间连接带有弹性联轴器、气动离合器、安全离合器、安全联轴器。

绞刀长轴系主要由绞刀轴、绞刀轴轴承、传动中间轴、中间轴承等主要部件组成。轴系的设计是根据绞刀功率和额定转速，设计绞刀轴径、中间轴径的具体尺寸，再进行轴承设计。长轴系简图见圖1。

2绞刀轴系设计

该长轴系由三条中间轴、一条绞刀轴组成，总长约38m（包括绞刀）。中间轴与绞刀轴之间采用高强度铰制螺栓连接，绞刀头与绞刀轴采用螺纹连接。中间轴依靠安装在舱内的3个中间轴承支撑，绞刀由安装在首部的绞刀轴承支撑。中间轴承只承受扭转力和弯曲力，不承受轴向力，绞刀头的轴向力由齿轮箱内部的推力轴承承受。所以中间轴承和推力轴承均采用赛龙高分子材料，同时用以水代油的轴承冷却方式。

绞刀传动系统要求工作最大倾角为60°，设计按最大倾角为65°。绞刀齿轮箱和联轴器安装在带水密舱的桥架内，不浸泡海水。齿轮箱为上入下出、双输入单输出结构，采用三级减速，输出轴可承受双向额定推力。齿轮箱输入轴与输出轴垂直偏移约1101mm，水平偏移约2x2125mm。齿轮箱重量约230000kg。绞刀齿轮箱传递效率约0.96。齿轮箱配有盘车装置，能使绞刀头缓慢转动，以便拆卸或安装绞刀头。绞刀轴的转向可调，转速约为±1r/min。该盘车装置包括一台电机（约37kW）、减速箱及盘车离合器等组成

绞刀轴除受到扭转力矩和弯曲力矩外，还受到周期性的冲击载荷，长期工作后易出现材料的疲劳裂纹。影响材料疲劳的因素较复杂，轴长期受多次重复和变化的载荷导致轴的最大实际应力超过材料的疲劳强度，使轴裂痕逐渐扩展就可能造成断轴事故。对于任何绞刀轴系，不可能经常处于设计工况下工作，因此要求轴具有一些储备能力，使轴能经受长期的循环载荷而不致因疲劳而破坏。为此采用高强度合金钢40Cr作为轴的材料，并对轴进行热处理，达到在足够的塑性条件下具有更高强度极限。

3绞刀长轴系统设计计算

3.1传动中间轴直径计算

已知绞刀输入轴功率P=3000kW，工作转速n=30r/min，轴材料为合金钢40Cr。

由设计手册查得合金钢40Cr的许用扭转切应力τp为35～55MPa，在对轴进行热处理达到足够的塑性条件下取τp=42MPa，可得安全系数S=τp/τ=1.86。

由设计手册查得在载荷确定不精确、应力计算较粗略或轴径较大（d200mm）条件下，轴强度校核的许用安全系数为1.8～2.5，取许用安全系数[SP]=1.8，则计算安全系数S[SP]，轴的强度足够。

3.4绞刀轴强度校核

考虑绞刀轴受较大冲击和周期性激振力，许用安全系数取上限Sp=2.5；由于绞吸挖泥船绞刀系统工况很复杂，仅仅按照常规的扭距因素校核强度往往不够，需要考虑疲劳系数修正，工程中常用修正系数P取1.5，则[Sp]=Sp.P=3.75

故计算安全系数