船用LNG装卸臂旋转接头滚珠数量优化研究

范 旭

船用LNG装卸臂旋转接头滚珠数量优化研究

范 旭

（中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452）

旋转接头用于实现船用LNG装卸臂低温管路系统的旋转动态密封，是船用LNG装卸臂的核心部件。本文基于Abaqus有限元软件对LNG装卸臂旋转接头整体进行静力学承载仿真，分别针对双排滚道滚珠数目146、120、100、80、60进行仿真计算。结果表明上下排滚珠的最大切应力和最大等效应力随滚珠数目的增加先减小后增大，最佳滚珠数目为120。最后根据滚珠的最大接触应力与最大切应力之间的关系，总结针对旋转接头滚珠应力的数值模型。

LNG 旋转接头 Abaqus 滚珠数目 数值模型

0 引言

为响应国家能源结构升级和环保要求，我国的天然气需求将越来越大，必然伴随着大量LNG输送。LNG输送设备优化成为关注的重点[1]-[4]。关键设备之一是LNG装卸臂，旋转接头是其核心[5]，而其中的滚珠却是旋转接头易损坏部件

雷凡帅等[7]研究了LNG装车臂低温旋转接头存在关键静密封件普遍严重损毁等突出问题，提出了滚珠是旋转接头的易损伤零件。严宇等[6]对旋转接头整体结构尤其是旋转接头密封装置和内圈结构进行设计，保障旋转接头使用效果和使用寿命。Thanh Phong Dao等[9]采用为刚体模型和虚拟工作方法对柔性机构的柔性旋转关节或柔性铰链进行运动学和动力学设计和分析。Manfred等[10]提出了可以适用于联合设计和负载的传输的高大的人形机器人一种新的离合器旋转接头。H. Takahashi 等[11]提供一种旋转接头是专为一个最小运行成本的低温制冷剂传输细节。接头具有一系列的波纹管式机械密封隔离传输通道。廖祥林[12]研究了风力发电机组变桨轴承结构参数与滚道应力之间关系，建立了不同结构参数的轴承滚道应力分析有限元模型，分析了轴承初始接触角、沟曲率半径系数、滚道排距、钢球直径与数量对最大滚道接触应力、最大切应力和最大等效应力的影响。罗继伟等[13]人对滚动轴承的力学分析进行了研究，并取得了一些理论，这些都为滚动轴承的力学理论提供了很大的参考价值，同时也为工程实践提供了一定的借鉴意义。然而，目前关于旋转接头的研究分析，还存在一些不足，具体表现在: 1)力学模型不准确。由于旋转接头内部结构复杂，零部件较多，用三维模型计算工作量较大，因此此前一些研究都是对单一零部件进行分析；2）还未有人针对LNG装卸臂中旋转接头滚珠数量问题进行研究，大多研究方向都在其密封性能。3）现有旋转接头数量的确定参照依据是ISO281标准，尽管适用于滚动轴承，但对于旋转接头不具有针对性。

本文针对旋转接头在轴向单一载荷、复合载荷两种力学工况下，利用Abaqus有限元软件进行模拟仿真，针对双排滚道滚珠数目146、120、100、80、60进行仿真计算对滚珠数目进行研究，并且探究了滚珠数目与双排滚珠最大等效应力，最大切应力等力学特征之间的数值关系，可以为LNG旋转接头的结构优化设计提供参考。

1 旋转接头简介

旋转接头是LNG装卸臂的核心部件，被喻为整台装卸臂的“心脏”，旋转接头结构如图。旋转接头部件包含内圈法兰、外圈法兰、内圈Ⅰ、内圈Ⅱ、外圈、若干滚珠及螺栓。其中外圈法兰通过24个螺栓与外圈固定，内圈法兰通过24个螺栓与含滚珠轨道的内圈Ⅱ连接固定，内圈Ⅰ与外圈法兰和内圈法兰间通过凹槽密封圈密封，内圈Ⅰ与内圈Ⅱ之间采用焊接固定，内圈Ⅱ和外圈上分别有双列滚珠滚道，内圈Ⅱ和外圈双列滚道间均匀分布滚珠146个。

图1 LNG旋转接头结构图

旋转接头是实现船用LNG装卸臂与船体六自由度运动对接的关键，每台装卸臂会安装6个旋转接头共同构成装卸臂6自由度转动对接体系。旋转接头外圈法兰上部与外部管道焊接，内圈法兰下部与外部管道焊接，内外法兰与内圈Ⅰ共同形成LNG输送流体流通通道。工作过程中，旋转接头受到轴向力、径向力、弯矩和LNG流体内压作用，受力工况复杂，同时，随LNG装卸臂不同作业动作，轴向力会在拉压载荷上转化，径向力、弯矩的大小方向也会随着发生变化。

2 优化分析方案

2.1 传统滚珠分析理论

2.1.1额定动载荷计算公式

Lundberg-Palmgren 理论认为轴承滚道剥落起始于次表面裂纹，而最大正交切应力是轴承滚道初始疲劳裂纹产生的原因。目前滚珠所用疲劳计算方法是ISO281 标准寿命计算方法，该方法基于Lundberg-Palmgren 理论，其具体计算公式的如下：

球轴承基本额定动载荷为：

2.1.2滚珠数量

旋转接头属于非标件，因此其滚珠数量的确定无法参照其他轴承标准，而根据额定动载荷公式中，滚道中的滚珠数量越多，额定动载荷也越好，故原滚珠数量计算如下：

图2 旋转接头内圈尺寸图

n为单排滚道中滚珠数量，R为滚道半径，D为滚珠直径。由于旋转接头中含有两条滚珠滚道，故总数量为：

N为旋转接头中滚珠总数量。根据实际安装情况，最后确定滚珠最大数量为146。

2.2 网格划分

由于旋转接头结构复杂，在有限元计算时涉及到力的传递，无法仅仅以滚珠为目标模型，故采用ABAQUS软件对旋转接头整体进行静力学仿真。部件包含一个外法兰、一个外圈、146颗滚珠、一个内圈、一个内法兰及48颗螺栓，有限元仿真时，需要对各个部件独立划分网格、定义部件间相互作用、设置载荷和边界等。

部件采用六面体网格划分。网格划分时，先对各部件进行分区，尝试不同分区方法使各部件能够采用六面体离散扫掠划分网格。选择网格单元类型C3D8R，单元属性为三维实体，每个单元含8个节点，采用一次缩减积分算法。该单元类型适用于复杂高度非线性接触问题的求解。全模型共划分网格单元1,725,527个，各部件网格划分如图1。

图1 部件及整体网格划分

2.3 相互作用设置

ABAQUS会在接触主控面和从属面的节点上建立相应的方程，节点位置取决于面的离散方法。本模型中各关键部件的划分网格很细，能很好的反映接触面形状，此时采用接触面的离散方法采用应力和接触面法向压力计算精度更高的面对面离散。

在接触跟踪方法上，本模型对不同接触对采用不同方式。针对双列滚珠滚道接触，设置不连续精细网格划分的滚珠表面作为从属面，滚道表面作为主控面，接触跟踪方式采用小滑移，设置容差0.2，其余可能接触采用有限滑移，节点表面调整采用只为调整到删除过盈。

在旋转接头稳定承压时，滚珠滚道间的静摩擦力是存在的，模拟真实的摩擦行为可能是非常困难的，因此在默认情况下，ABAQUS使用一个允许“弹性滑动”的罚摩擦公式。“弹性滑动”是指表面粘结在一起时所发生的小量的相对运动。ABAQUS会自动选择罚刚度，从而这个允许的“弹性滑动”的滑动值只有单元特征长度非常小的部分那么大。罚摩擦公式适用于对大多数问题，其中包括大部分金属成型问题。由此设置接触属性为切向有摩擦，根据实际滚珠滚道有润滑液，摩擦系数采用0.1。接触的法向行为选择为“硬接触”，该方法在计算过程中限制了可能发生的穿透现象，但接触判定从接触到分开时，接触压力会发生剧烈变化，导致接触计算很难收敛。同时螺栓与法兰及内外圈的连接设置为绑定。

2.4 载荷设置

整体校核，外圈法兰与管道焊接面为完全固定载荷，内法兰上部与管道焊接截面上施加荷载。

其中，轴向力为压载荷，受力面为内法兰上部与管道焊接截面；径向力和弯矩施加在内法兰上部与管道焊接环形截面中心。整体受力示意如图2。

3 滚珠数目优化设计

3.1 切应力力学接触模型

在一些研究中发现，滚动轴承在承受载荷后其表面出现疲劳起源于受力表面下面的一些点，而根据赫兹接触理论无法准确的计算，因此需要对次表面应力与疲劳之间的关系，一些研究者发现出现疲劳的原因是静载荷作用下最大剪切力引起的，该最大剪切力位于接触表面以下。因在z轴上滚动轴承的接触应力达到最大值，因此最大剪切力也在z轴上。在z轴方向上任意深度的各主应力计算式为:

在确定各主应力的值后，可依据Mohr圆定律得出在Z轴上的最大切应力为：

图5 滚珠数目146的下排滚珠应力结果

3.2 单一载荷下力学分析

在160KN轴向力载荷下，只改变滚珠的数目，将滚珠依次设为146、120、100、80、60个，其余保持不变，计算模型，模拟计算结果。这里只展示滚珠数目为146时的单个滚珠应力分布状况，如图6所示。

图6 上下排滚珠最大应力值随滚珠数目变化

模拟146、120、100、80、60滚珠情况下得到滚道最大接触应力值、最大切应力值、最大等效应力值随钢球数量的变化如图6（a）所示。上下排滚珠的最大切应力随滚珠数目变化的关系如图6（b）所示。

由图6（a）可知，其他条件一定，随着钢球数量的增加，上排滚珠最大接触应力减小且最小值约占最大值的25.3%，下排滚珠最大接触应力也减小且上排滚珠的最大接触应力约为下排滚珠的最大接触应力的93.99%，上下排滚道最大接触载荷随钢球数量的增加而减小。上下排滚珠的最大等效应力也随着滚珠数目增加减小。

由图6（a）、图6（b）可知滚珠的最大等效应力和最大切应力都位于上排滚珠，最大接触应力位于下排滚珠。上下排滚道最大接触应力、最大等效应力均随着钢球数目增加而减小，上下排滚珠的最大切应力先减小后增大。考虑最大接触应力、最大等效应力和最大切应力综合影响，推荐最优滚珠数目为120个。

3.3 复合载荷下力学分析

仿真采用内外圈及滚珠组成配件模型进行40 KN轴向力、20 KN径向力、45 KN·M弯矩载荷仿真，只改变滚珠的数目，将滚珠依次设为146、120、100、80、60个，其余保持不变，计算模型，模拟计算结果。这里展示滚珠数目为146时，上排滚珠应力分布情况，如图7所示。

图7 滚珠数目146上排滚珠应力结果

模拟146、120、100、80、60滚珠情况下得到滚道最大接触应力值、最大切应力值、最大等效应力值随钢球数量的变化如图8（a）和图8（b）所示。

由图8（a）可知，其他条件一定，随着钢球数量的增加，上排滚珠最大接触应力减小且最小值约占最大值53.04%，下排滚珠最大接触应力也减小且上排滚珠的最大接触应力约为下排滚珠的最大接触应力的43.26%，上下排滚道最大接触载荷随钢球数量的增加而减小。上下排滚珠的最大等效应力也随着滚珠数目增加减小。

由图8（b）可知滚珠的应力与滚珠数目之间的关系与只受纯轴向力的变化相似，最大等效应力和最大切应力都位于上排滚珠，最大接触应力位于下排滚珠。上下排滚道最大接触应力、最大等效应力均随着钢球数目增加而减小，上下排滚珠的最大切应力先减小后增大。

图8 上下排滚珠最大应力值随滚珠数目变化

图9 上下排滚道最大应力值随滚珠数目变化

根据云图发现旋转接头的应力最大处并不是上下排滚珠处，发生在滚道处，滚道处应力随滚珠数目变化如图9（a）和图9（b）。

滚道的应力变化与滚珠数目的关系与滚珠应力与数目关系类似，随着滚珠数目增加，应力都是先减小后有增大的趋势。

3.4 针对旋转接头应力数值模型

整理各工况及数量条件下最大切应力和最大接触应力之间的关系如图10所示，并通过相关软件进行拟合分析，如表1所示：

结合表1和图10可以看出，通过五种数学拟合方法将散点处理后，相较于线性拟合，乘幂拟合的误差平方和最小，更能准确的表现出旋转接头中滚珠最大切应力与最大接触应力之间的关系。

图10 最大切应力与最大接触应力拟合情况

表1 应力各方式拟合结果

4 结语

1）通过对旋转接头整体进行实际工况下模拟仿真，分析了其滚珠及滚道的最大切应力、最大接触应力和最大等效应力，并且最大应力值小于许用应力（250 MPa），结果表明均符合强度设计要求。

2）分别单一载荷和复合载荷作用下，通过146、120、100、80、60的滚珠数目变化设置不同仿真组，分析比较最大接触应力值、最大切应力值、最大等效应力值与滚珠数目的关系，得出最优滚珠数目为120。

3）对比了滚珠数目理论确定方法和有限元仿真确定方法之间的区别，可以为其他部件中的滚珠数目确定提供新的思路。

4）分别总结了最大接触应力和最大切应力与旋转接头中滚珠数量之间的关系，并根据原有的滚珠-滚道模型，提出了针对旋转接头中滚珠问题的力学关系式。

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Research on Optimal Quantity of Rolling-ball of Marine LNG Loading Arm Swivel Joints

Fan Xu

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452)

TF978

A

1003-4862（2021）06-0089-06

2021-05-13

范旭（1985-），男，学士，工程师。研究方向：FPSO、LNG船舶建造与运营相关技术。Email：hejp@cnooc.com.cn