悬链式单点装置回转轴承启动力矩的确定

1、第ii期悬链式单点装置回转轴承启动力矩确实定王屹，张勇吉，马德强，吴桶（海洋石油工程股忻，天津300451）ffi 要悬住式单点装畏园其具有供构简单,投资本钱低，便于削造和会装号优毋、已戌为世界上应用裁量故多的单点装 k.回传轴承作为巷链式单点尾泊装瓦中的核心邰件.算启动力矩确实定将影响回捋仙承的设计选型.因此时于维点装m是 一项更要的设计参数.泰文基于理论模型公式.以某一海上悬住式单点系泊为例，通过计算分析，楠定.回转物票启动力建的 数值.关键词）单点表豆；回转结承；力矩；计算悬链式单点系泊（catenary anchor leg mooring,英文缩写calm）是世界上最早被采用 的单点

2、系泊方k。据不完全统计，目前世界上共 有单点装5s56o余座,其中悬链式单点装置约为 500座。悬链式单点装置由一个大直径的圆柱形浮筒 作为主体，中间安装有一个转台，通过轴承将浮 简与转台相连，可以实现转台360。自由旋转。 其中该回转轴承通常宜径约为4m,属于大型轴承 产品。该轴承是单点系泊装st的核心部件之一， 其启动力矩确实定将影响回转轴承的设计选型， 因此对回转轴承的启动力矩进行研究具有重要意 义。i轴承启动力矩的研究1.1启动力矩理论公式的建立回转轴承的启动力炬是指轴承从伸止状态到 开始相对转动的一 瞬间所缶克服的摩擦阻力矩。 因此.只有轴承本体的摩擦力矩和密封件的摩擦 力炬需要考.

3、虑。回转轴承在旋转过程中，由于其外圈、内 圈、保持架、钢球、密封件五大件之间互相按 触，故存在庠擦阻力。其摩擦由以下儿局部组 成：滚动体和滚道间的滚动摩擦和滑动摩擦；保 持架与滚动体及套圈引导面之间的滑动摩擦：滚 子端面与套圈挡边之间的滑动糜擦：润滑剂的黏 性阻力；密封件的滑动摩擦等。当环境温度在20-30v时，启动力矩诃用以下 公式计算（出自skf的轴承设计手删云）mq=m+m 心即轴承的启动庠擦力矩为轴承摩擦力矩和轴 承密封件维擦力矩两者之和。其中：mq为启动庠擦力矩，nmm： m为轴 承摩擦力矩.nmm： mg为密封件的摩擦力矩 nmm.mseal密封件的摩擦力矩由于需要基于密封件 厂家

4、提供相应的数据,出于材料特性参数保密等 方面的原因，即使是一些较大轴承厂家也很难从 密封厂家那里获得这些相关数据。因此,一些国 内轴承厂家基于他们长期的轴承制造经验，总结 了一套回转轴承启动力矩的计算方式。洛阳抽承厂lyc）是我国三大轴承厂之 一，根据与其专家的交流，他们给出了一个简化 的计算公式：nu：2nf即轴承的启动摩擦力矩需要克服2倍的轴承摩 擦力地,才能保证轴承能够顺利启动因此在考 虑启动轴承力矩的时候，可简化为计算轴承的摩 擦力矩。1.2轴承的摩擦力矩摩擦力矩是回转轴承重要的性能参址.它的 一些更要的性能指标如运转平楼度和精确度都受 其影响。回转轴承在运转时，内固、外固、保持 架及

5、浪动体之间产生相对运动.同时也产生与转 动方向相反的阻碍运动的综合力矩，即摩擦力矩 叫 作者简介：王屹（1986-）,乱高堀工程师.主要从申海上甲 点系泊技术方面的设计和研究工作.摩擦力矩的影响因素摩擦力矩与轴承类型、结构、尺寸.制造帖 度等有关，同时受载荷、转速、润滑等工况条件 的影响。另外，轴承摩擦力矩也受各种不确定因 素如轴承内油膜弹变、加工误差、外部环境等因 素的影响,这些影响因素是不断变化和不容易把 握的,所以摩擦力矩值是一个随时间变化的量， 其规律很难发现。图1为通过实验获得的轴承的糜 擦力矩叫图1轴承縻擦力矩测试实验结果不应无视。阻力损失不仅 油位影响.也受储油雄的 靠近轴承的外

6、部油搅拌， 例如齿轮或凸轮.也应该从图1中可以看出轴承在旋转过程中每个位 置都具有某一个摩擦力矩值，即被测虽轴承摩擦 力矩是个随机变鱼。在应用计算公式计算时虽然 不能准确计算轴承工作时的某一摩擦力矩值，但 理论的分析和计算可以为摩擦力矩的平均值<up mmcp)的数值分析提供参考和依据.下面是三种 摩擦力矩计算方法的简单介绍。摩擦力矩的计算方法(a)-般计算方法滚动轴承的摩擦力矩用m来表示,它由与轴 承载荷无关的m。和与轴承载荷有关的mi两局部组 成，即：m=mo+m|(1)mo的计算在高速轻载的应用场合，m。起主要作用”它 主要与轴承类型、润滑剂的懿度和数量、轴承转 速有关当2000&

7、gt;vnhh mc=h5)2f3dn?x10”当2000<vn 时, m(i=160x 10式中：是与轴承类型和润滑有关的系数： v是轴承工作温度下润滑剂的运动黏度(对润滑 脂取基油的谿度),mm7s： n是轴承的转速，r/ min： dm是轴承平均直径,mm, dm=o.5(d+d)» d 为轴承内径.d为轴承外径，均为mnu<2) mi的计算主要是弹性滞后和接触外表滑动的摩擦损 耗，可由下式计算：mifi (fa*fr) dm式中：f,是与轴承类型和载荷有关的系数：fa 是轴承的雄向裁荷：fr是轴承的径向载荷。(b)skf计算方法基于skf推出最新的摩擦力矩计算的经

8、验公 式：m=m"+m+md”其中：ah为滚动摩擦力矩：md为滑动摩擦力 矩：为阻力损失、搅动、泼溅等产生的摩擦 力矩(1) m”的计算滚动摩擦力矩可通过以下公式计算：【注】其中：小*为进口剪切加热诚缩系数；4为 运动补油/缺油的减缩系数：g”为滚动摩擦力矩变 s： v为转速，r/min： n为润滑油在工作温度下的 运动黏度或润滑脂的基油黏度.mm2/so(2) m捎j计算滑动摩擦力矩可通过以下公式计算：mg如【注】其中：g”为滚动摩擦力矩变量：q为滑动摩 擦系数”(3) mg的计算轴承任汕浴中旋转时所产生的阻力损失也是 忌摩擦力矩的,局部， 受抽承转速、油殊度、 尺寸和几何形状影响

9、。 可能产生自机械元件， 纳入考量。skf油浴润滑拖曳损失计算模型会考虑液动体 穿过润消油所遇到的阻力以及润滑油粘度的影响“图2轴承油浴模型浪子轴承拖曳损失的庠擦力矩可用以下公式 估算：mg «4vmkrc.bdm4" + l093x 10，rp(m其中：vm为拖曳损失系数：k为滚子轴承相 关常数：kl k*d)0fd-dc,为拖曳损失摩擦力矩公式中使用的变焚和 函数；b为轴承宽度，mm：站为轴承平均直径，mm0.5 (轴承内径+抽 承外径):n为转速，r/min：v为在工作温度卜的运动黏度，mm%°【注】相关计算数值及公式可参阅skf轴承设 计手册(c)简化模型

10、计算法基于相关的参考文献叫假设skf推出的滚动轴 承摩擦力矩计算模型进行了分析，并结合算例和 一般计算方法退行了比拟,在重载和低速时,两 者的差异并不明显，在轻载和高速时，两者的差 异较大，skf推出的摩擦力矩的计算模型计算的结 果更为准确.以上两种计算方法尽管都能计算出液动轴 承的摩擦力矩.但这两个方法无一例外都比拟繁 琐，而且需要基于大量的经验数据，这两种计算 方法主要适用于轴承的制造厂家，而常规的计算 方式很难快旋有效地对摩擦力矩进行计算。因此也有一种简化模型的计算方法，该计算 方法已经获得了skf和lyc的认可，可作为一种 比拟简化的且相对准确的计算轴承庠擦力矩的方 法。在满足良好润消

11、和正常运行的条件卜.，可 通过恒定庠擦系数口，充分精确地估.算出摩擦力 矩.摩擦力矩可通过以下公式估算：m=0.5 p pd其中：为轴承的恒定摩擦系数.见表1： p 为当lit轴承动载荷，n： d为轴承内径，mm.表1轴承的恒定摩擦系数$承类3?深沟功地承0.0015篁列o.oo2o双列0.0024四点接it0 0024白睥心瑚承0.0010e8tt»7jt*-sffmffl,岂f.o0 0011-涡装，当f.o0.0020常保持架的0.00200.0018h面»7m*0.0018常保持架的carb es环»ywi承0.00160.0013au«7m力的

12、*0 0050»ttn力仙承0.0050功面添了 it力50.00182模型实例计算选取某一海上悬链式单点系泊为计以模型， 基于其提供的轴承载荷和己确定的轴承尺寸和规 格.对回转轴承的启动力矩进行计算。由于不是轴承制造厂家，很难获得一些轴承 计算模型数据，因此本文采用简化模型计算法狭 得抽承的摩擦力矩m,进而计算出该回转轴承启 动时所需的最小力矩。2.1模型的根底数据表2回转轴承的尺寸和规格浪动轴承内径3380fm浪动轴承外径3950 伽轴承转速0. 4r/rain使用寿命”0219000h表3回转轴承的静态我荷轴向就荷(kn)径向校荷(k)侦覆力w(knn)工况描述工况110834

13、2732846外输汕1工况2-218931254798外输油2工洗3-317200白由漂浮工况43203535128链条张紧表4网转轴承的动态我荷和疲劳分析轴向tt«<kn>径向致荷(kn)侦覆力矩(kw)回转屈敢工况频率工况描述工况17752142158510570. 03%外输油工况2750176-1116822330. 0浅工况372214851134109820. 22%工况48531191124075450. 26%工况59048971133395621.54%工况692259950419899717.，贤工况79082714312688410. 4 研工况89

14、16118865w022270s自由潭浮2.2模型的计算基于上述理论公式，对该悬链式单点系泊装 置中的回转轴承的启动力矩计算如下：(1) 当址动我荷p当轴承既受径向力f,又受轴向力已时，须将 r、f,与转换为与确定根本额定动载荷的载荷条件 -致(纯径向力或轴向力)的等效力，即当量动 栽荷。当r/f,小于等于c时，p=fr：当fjr大于e时,p-xr+yf,其中：x、y为径向、轴向裁荷系数：c为结 构系数，当为球轴承时e为3,当为滚了轴承时e为 3.33：ffr=3172/4273<e；故：当挝动栽荷p=f.=3172kn(2) 额定动栽荷cc-瘠但其中：n为轴承转速；l“，为轴承使用寿命

15、；c=3172x (0.4x219000/16670> lon=5514kn(3) 摩擦力矩m通过查表，p取0.005：m o.5 u pd 0.5 x 0.005 x 3172 x 3.38-26.8kn* m=2.68ton*m：mq需n2倍的m：因此所需的最大启动力矩至少为5.3ton-m3结果论证根据计算所得，对于木悬链式单点系泊装黄 中的回转轴承,基于现有的模型进行计算分析. 所选用的轴承的启动力矩最小值为5.3tonm”而 轴承制造厂家所提供的该轴承的平均启动力矩为 4-4.9lon*m<.由于在设计计算时，所有的栽荷及系数均为 最大参考(ft.所以会造成计算的结果偏大。但是 该理论计算结果已经接近了轴承制造厂家所提供 的数值，可在不确定轴承的启动力矩时，采用该 计算方法进行参考。佥假设文献(1 邓毅峰.海洋工程之单点系泊最新进展与do