GB/T 37442-2019 海洋平台起重机卷筒设计方法

　　ICS 47 . 020 . 50 U 42

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 37442—2019

　　海洋平台起重机卷筒设计方法

　　Designmethodsofdrumsforoffshorecranes

　　2019-05-10 发布 2019-12-01 实施

　　国家市场监督管理总局中国国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 37442—2019

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准由全国船用机械标准化技术委员会(SAC/TC 137)归口 。

　　本标准起草单位：武汉船用机械有限责任公司、中国船舶重工集团公司第七 ○四研究所、南京中船

　　绿洲机器有限公司。

　　本标准主要起草人：汤敏、蒋荣华、石永科、蔡智军、徐兵、杨龙霞、陈琳、张晓群、瞿音。

　　GB/T 37442—2019

　　海洋平台起重机卷筒设计方法

　　1 范围

　　本标准规定了海洋平台起重机卷筒缠绕层数、材料、结构参数、钢丝绳固定、设计计算等设计方法。本标准适用于海洋平台起重机的起升、变幅工作用卷筒，其他类型近海起重机可参照执行。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注 日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 700—2006 碳素结构钢

　　GB/T 1591—2018 低合金高强度结构钢

　　GB/T 3893—2008 造船及海上结构物 甲板机械 术语和符号

　　3 术语和定义

　　GB/T 3893—2008 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　钢丝绳偏角 ropefleetangle

　　钢丝绳进入卷筒或滑轮(首次入绳滑轮)的最大角度，即当钢丝绳运动到卷筒左侧挡板或右侧挡板

　　时，钢丝绳中心线与卷筒或滑轮轴垂直的平面的最大夹角，如图 1 中所示的 δ1 和 δ2 。

　　图 1 钢丝绳偏角示意图

　　4 卷筒类型

　　钢丝绳卷筒根据表面绳槽形式可分为光卷筒、螺旋槽卷筒和折线绳槽卷筒三种类型。

　　a ) 光卷筒：卷筒表面无绳槽布置;

　　b ) 螺旋槽卷筒：卷筒表面加工有螺旋绳槽;

　　c ) 折线绳槽卷筒：卷筒表面加工有折线绳槽，折线绳槽又分为单折线绳槽卷筒和双折线绳槽卷筒。

　　钢丝绳卷筒根据钢丝绳端部安装方式可分为单联卷筒和双联卷筒两种类型。

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　　a ) 单联卷筒：钢丝绳端部仅一端固定在卷筒上，卷筒上仅布置一段绳槽;

　　b ) 双联卷筒：钢丝绳端部两端均固定在同一卷筒上，卷筒上布置两段独立的绳槽。

　　5 设计方法

　　5 . 1 卷筒缠绕层数

　　根据第 4 章中钢丝绳卷筒绳槽形式分类，每种卷筒缠绕层数要求不同，具体要求如下：

　　a ) 光卷筒缠绕层数为单层，如用于多层缠绕，需咨询船级社;

　　b ) 螺旋槽卷筒缠绕层数不超过 3 层(含 3 层);

　　c ) 折线绳槽卷筒缠绕层数为 3 层以上。

　　5 . 2 材料

　　延伸率不小于 12%的铸钢或铸铁可用于铸造卷筒材料。灰口铸铁不得作为卷筒材料。

　　焊接卷筒应选用力学性能不低于 GB/T 700—2006 中的 Q235B,根据使用工况和环境温度的需要，也可采用力学性能不低于 GB/T 1591—2018 中 的 Q345,在低温环境下，选用钢材应满足低温冲击

　　要求。

　　5 . 3 结构参数

　　5 . 3 . 1 卷筒直径

　　卷筒直径 D1 按式(1)计算：

　　D1 =h ·d ……………………( 1 )

　　式中：

　　D1 — 卷筒第一层钢丝绳中径，单位为毫米(mm) ;

　　h — 卷筒第一层卷绕直径与钢丝绳直径之比;

　　d — 钢丝绳公称直径，单位为毫米(mm)。

　　其中，h不应小于 18。

　　5 . 3 . 2 卷筒凸缘直径

　　除非装有能使钢丝绳保持在卷筒上的额外装置，或为有绳槽卷筒且只缠绕一层，卷筒的凸缘应高出顶层钢丝绳至少 2 . 5 倍钢丝绳直径的距离。

　　5 . 3 . 3 绳槽半径

　　卷筒的绳槽半径 r与钢丝绳公称直径d 的比值，应在 0.52~0.57 的范围内，优选 0.53。

　　5 . 3 . 4 卷筒节距

　　卷筒节距(即卷筒上相邻绳槽中心间水平距离)应根据卷筒绳槽的形式选取，具体要求如下：

　　a) 螺旋槽式卷筒：卷筒节距建议在(1.06~1.062)d(d为钢丝绳公称直径);

　　b ) 折线式卷筒：卷筒节距建议在 1 .05d(d为钢丝绳公称直径)，随着卷筒的缠绕层数的增加，卷筒节距可能有所调整，准确取值需咨询卷筒制造商。

　　5 . 3 . 5 钢丝绳偏角

　　钢丝绳偏角按照式(2)和式(3)计算：

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　　式中：

　　δ1 — 卷筒左侧钢丝绳偏角，单位为度(°) ;

　　犔1 — 卷筒左侧挡板距离滑轮轴垂直平面的垂直距离，单位为毫米(mm) ;

　　δ2 — 卷筒右侧钢丝绳偏角，单位为度(°) ;

　　犔2 — 卷筒右侧挡板距离滑轮轴垂直平面的垂直距离，单位为毫米(mm) ;

　　犔 — 钢丝绳在卷筒出绳相切点和滑轮上入绳相切点间的距离，单位为毫米(mm)。

　　根据 5 . 1 中卷筒缠绕层数不同，钢丝绳偏角大小范围控制具体要求如下：

　　a) 单层缠绕卷筒：钢丝绳偏角不宜大于 3 .5 °;

　　b) 两层缠绕卷筒：在卷筒爬绳侧，钢丝绳偏角建议控制在 0.5°~2°范围内，优选 1°~1.5°;非爬绳侧钢丝绳偏角不宜大于 3 .5 °;

　　c) 三层及以上缠绕卷筒：在卷筒两侧的钢丝绳偏角建议控制在 0.5°~2°范围内，优选 1 °~ 1. 5 °。更详细的钢丝绳偏角需要通过计算获得或咨询卷筒供货商。

　　5 . 4 钢丝绳固定

　　5 . 4 . 1 钢丝绳端头在卷筒上固定，应满足下列要求：

　　a) 钢丝绳不能作用在锐边上;

　　b ) 钢丝绳固定端应方便检查。

　　5 . 4 . 2 钢丝绳固定方式主要有如下几种方式：

　　a) 钢丝绳通过压板固定在卷筒筒体上(图 2) ,用于焊接或铸造卷筒，缠绕层数 2 层以内;

　　b) 钢丝绳通过压块固定在卷筒侧板外侧(图 3) ,用于多层缠绕的焊接或铸造卷筒;

　　c) 钢丝绳通过楔块嵌入到卷筒中固定(图 4) ,用于多层缠绕的铸造卷筒。

　　图 2 压板固定在筒体上

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　　图 3 压块固定在侧板上

　　图 4 楔块嵌入在筒体内

　　5 . 4 . 3 钢丝绳固定装置的设计，应考虑绕在卷筒上的安全圈的摩擦力，使摩擦力和固定力之和不小于 2倍的最大钢丝绳拉力。

　　5 . 4 . 4 钢丝绳固定装置承受的拉力可按照式(4)计算：

　　s ……………………( 4 )

　　式中：

　　shold — 钢丝绳固定装置处承受拉力，单位为牛(N ) ;

　　φh — 起升载荷动载系数;

　　smax — 作用于卷筒上的最大钢丝绳静拉力，单位为牛(N ) ;

　　μ — 计算摩擦系数，取μ≤0.1 ;

　　α — 安全圈的包角，单位为弧度(rad)。

　　5 . 4 . 5 在任何作业工况下，卷筒上剩余钢丝绳圈数应不少于 3 整圈，宜不少于 5 圈 。

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　　5 . 5 设计计算

　　5 . 5 . 1 强度计算

　　注：卷筒筒体在钢丝绳上拉力作用下，产生压缩、弯曲和扭转应力，其中压缩应力最大。

　　5 . 5 . 1 . 1 筒体环压应力计算

　　当 L≤3D 时(L为卷筒长度，D 为卷筒绳槽底直径)，弯曲和扭转的合成应力不超过环压应力的10% ,只需计算环压应力即可。

　　卷筒筒壁的环压应力按照式(5)计算：

　　σc = C ……………………( 5 )

　　式中：

　　σc — 卷筒压应力，单位为兆帕(MPa) ;

　　σcp — 许用压应力，σcp=0.85×σs ,单位为兆帕(MPa) ;

　　σs — 卷筒筒体材料屈服强度，单位为兆帕(MPa) ;

　　Smax — 作用于卷筒上的最大钢丝绳静拉力，单位为牛(N) ;

　　δe — 卷筒筒体计算厚度，单位为毫米(mm) ;

　　p — 绳槽节距，单位为毫米(mm) ;

　　C — 多层缠绕系数：

　　对于适用于单层缠绕卷筒，C= 1 ;

　　对于 2 层及以上缠绕非折线绳槽卷筒，C= 1 .75 ;

　　对于 2 层缠绕折线式卷筒，C= 1 .75 ;

　　对于 5 层及以上缠绕的折线式卷筒，C系数线性增加到 3,选用更低的多层缠绕系数需提供相关文件证明。

　　注：系数 C 的取值与钢丝绳的径向刚度有关，对于使用高强度钢丝绳的多层缠绕卷筒 C 系数可能大于 3 。 同样的，对于钢丝绳径向刚度低的场合，C系数也可能小于 3 。 当 C 系数取值与上述简化不一致时，需提供详尽的说明文件。

　　5 . 5 . 1 . 2 卷筒计算厚度

　　卷筒筒体壁厚计算按照式(6)计算：

　　δe = δ+ δj ……………………( 6 )

　　式中：

　　δ — 卷筒筒体厚度，单位为毫米(mm) ;

　　δj — 绳槽凸筋等效厚度，单位为毫米(mm)。

　　对于光卷筒，δj 等于 0。

　　绳槽凸筋如图 5 所示，等效厚度 δj 按照式(7)计算：

　　……………………( 7 )

　　式中：

　　A1 — 绳槽凸筋截面积，单位为平方毫米(mm2 )。

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　　图 5 绳槽凸筋等效厚度示意图

　　5 . 5 . 1 . 3 筒体弯曲应力计算

　　当 L>3D 时，除考虑筒体环应力外，还需考虑由弯曲和转矩产生的应力。

　　卷筒筒体弯曲和转矩产生的应力按照式(8)计算：

　　……………………( 8 )

　　式中：

　　Mmax — 由钢丝绳最大拉力引起卷筒的最大弯矩，单位为牛( N ) ;

　　σb — 卷筒筒体弯曲和转矩产生的应力，单位为兆帕(MPa) ;

　　T — 卷筒转矩，双联卷筒 T=Smax×D，单联卷筒 T ，单位为牛毫米(N 獉mm) ; W — 抗弯截面模数，W ，单位为立方毫米(mm3 ) ;

　　D — 卷筒绳槽底径，单位为毫米(mm) ;

　　D0 — 卷筒内径，单位为毫米(mm) ;

　　σbp — 许用拉应力，单位为兆帕(MPa),当筒体材料为钢时当筒体材料为铸铁时 σbb — 卷筒筒体材料抗拉强度，单位为兆帕(MPa)。

　　则卷筒合成应力按照式(9)计算：

　　……………………( 9 )

　　式中：

　　σ— 卷筒合成应力，单位为兆帕(MPa)。

　　5 . 5 . 2 稳定性验算

　　对于卷筒绳槽底径 D ≥ 1 200 mm 或卷筒长度 L>2D 大尺寸卷筒，应对卷筒筒体进行稳定性

　　验算。

　　失稳的临界单位压力按照式(10)或式(11)计算：

　　钢卷筒：P ……………………( 10 )

　　铸铁卷筒：Pcr =a ……………………( 11 )

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　　式中：

　　Pcr — 筒体失稳时临界压力，单位为兆帕(MPa) ;

　　a — 铸铁卷筒稳定性系数，取值范围为 25 000~32 500 ;

　　R — 卷筒绳槽底半径，R，单位为毫米(mm)。

　　卷筒壁单位压力按照式(12)计算：

　　p ……………………( 12 )

　　式中：

　　p0 — 卷筒壁单位压力，单位为兆帕(MPa) ;

　　p — 绳槽节距，单位为毫米(mm)。

　　稳定性系数按照式(13)计算：

　　K ……………………( 13 )

　　式中：

　　K— 筒体稳定性系数。