季圣國 王 鑫 張炳發(fā)

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

摘 要：中心回轉(zhuǎn)軸承可以同時承受較大的軸向、徑向負荷和傾覆力矩，是大型全回轉(zhuǎn)浮式起重機的重要部件。由于中心回轉(zhuǎn)軸承安裝在回轉(zhuǎn)裝置內(nèi)部，若軸承損壞，則難以對其進行維護和更換。為解決這一難題，文中提出一種大型回轉(zhuǎn)軸承的易拆卸設計方法，并對回轉(zhuǎn)軸承外圈座兩種形式進行了比較計算。

關(guān)鍵詞：全回轉(zhuǎn)浮式起重機；回轉(zhuǎn)軸承；易拆卸；設計

中圖分類號：TH218 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）17-0059-03

大型全回轉(zhuǎn)浮式起重機（以下簡稱浮吊）可在無需船體位移的情況下完成吊重物橫向位移，尤其適于在船兩舷的轉(zhuǎn)移吊重，可大大提高浮吊海上作業(yè)的安全性。近些年來，隨著海洋石油開發(fā)、大型海上工程建設、海洋平臺的拆卸與安裝、沿海風電設備安裝和海難救助事業(yè)的發(fā)展，大型全回轉(zhuǎn)浮吊的需求迅猛增加。

中心回轉(zhuǎn)裝置和回轉(zhuǎn)支承裝置（主要是滾輪和反滾輪）是大型浮吊實現(xiàn)全回轉(zhuǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，承載整臺浮吊的自重載荷、其他載荷以及因此產(chǎn)生的傾覆力矩。全回轉(zhuǎn)支撐裝置的研究有：文獻[1] 研究了滾輪輪壓的形成及優(yōu)化對回轉(zhuǎn)浮吊設計的重要意義；文獻[2] 通過分析臺車式回轉(zhuǎn)支承裝置和多排密布滾輪式回轉(zhuǎn)支撐裝置的結(jié)構(gòu)特點，提出了新型的鏈式滾輪回轉(zhuǎn)支撐裝置；文獻[3] 假設浮吊回轉(zhuǎn)底盤和下支撐為極大鋼體，提出一種快速且較準確設計浮吊回轉(zhuǎn)支撐的方案，但關(guān)于另一項大型浮吊全回轉(zhuǎn)關(guān)鍵技術(shù)——中心回轉(zhuǎn)裝置的研究相對較少，設計方案也很單一。文中提出一種新型易拆卸回轉(zhuǎn)軸承設計安裝方法，并對外圈座兩種形式進行比較計算。

1 回轉(zhuǎn)軸承易拆卸型設計方法

中心回轉(zhuǎn)軸承是大型全回轉(zhuǎn)浮吊的重要構(gòu)件，目前市場存在的浮吊大多在中心回轉(zhuǎn)軸承損壞后，更換代價非常巨大，需要將中心回轉(zhuǎn)裝置以上結(jié)構(gòu)（包括回轉(zhuǎn)底盤、桁框架、人字架、臂架等）都拆卸，如圖1 所示，才能更換中心回轉(zhuǎn)軸承，大大降低全回轉(zhuǎn)浮吊的使用效率。


圖1 中心回轉(zhuǎn)裝置位置

中心回轉(zhuǎn)裝置主要由軸承外圈座、軸承內(nèi)圈座和中心回轉(zhuǎn)軸承三部分組成，見圖2?；剞D(zhuǎn)軸承外圈座與底盤用高強度螺栓連接，回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)圈座為下支撐筒體的一部分，軸承內(nèi)、外圈座之間由分段軸承相互潤滑連接，軸承外圈座與筒體之間高度空間較大，輕松實現(xiàn)軸承外圈座的脫離，便于回轉(zhuǎn)軸承損壞后更換，解決了回轉(zhuǎn)軸承制造、安裝和更換維護技術(shù)難題。圖2a 為中心回轉(zhuǎn)裝置在正常工作時回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)外圈的裝配位置，圖2b為中心回轉(zhuǎn)裝置在維修時回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)外圈的裝配位置。拆除回轉(zhuǎn)軸承外圈座和上部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)之間的固定螺栓，回轉(zhuǎn)軸承外圈座自動脫落在下部固定結(jié)構(gòu)上，露出回轉(zhuǎn)軸承，以便于對回轉(zhuǎn)軸承的更換、維護。為了保證充分潤滑，在外圈座的外側(cè)面上加工有潤滑油孔，用來給軸承加注潤滑油。


（a）正常工作狀態(tài)


（b）維修狀態(tài)

圖2 回轉(zhuǎn)軸承易拆卸設計方法

2 軸承外圈座方案比較

作為連接起重機底座與內(nèi)筒體之間的核心部件，回轉(zhuǎn)軸承外圈座和內(nèi)圈座在拖航時會受到較大的橫向力，合理的設計方案對其受力有較大影響。圖3 為軸承外圈座的兩個初步設計方案，其中圖3a 為L 形結(jié)構(gòu)，即軸承外圈座與起重機底部的連接部結(jié)構(gòu)位于圈座壁的上側(cè)，壁端下側(cè)分布多個梯形肋板；圖3b 為T 形結(jié)構(gòu)，即連接部結(jié)構(gòu)位于圈座壁的中間位置。為了分析比較這兩個設計方案的受力情況，分別對其進行了有限元計算。


（a）L 形結(jié)構(gòu)- 方案1


（b）T 形結(jié)構(gòu)- 方案2

圖3 軸承外圈座設計方案

在建立以上兩個設計方案的有限元模型時，考慮到以下幾點：1）計算的目的是為了比較兩個方案的結(jié)構(gòu)受力情況，故構(gòu)建模型中應反映出不同方案之間的結(jié)構(gòu)區(qū)別；2）其余條件設置應盡量不變；3）兩個設計方案的實際受力情況應分別構(gòu)建詳細模型來分析。模型尺寸以 “振華30”輪起重機為依據(jù)，位移約束和載荷作用如圖4 所示，其中位移約束為三個方向的平動。關(guān)于作用力的設置，考慮到作用端面為一圓弧面，不同位置節(jié)點的作用力大小不同，故作用力根據(jù)其節(jié)點位置不同而有


式中：FN 為平均作用力值，TOTAL -N 為圓弧面的節(jié)點個數(shù)，F(xiàn)j(i) 為各節(jié)點的作用力大小，N 為網(wǎng)格單元劃分數(shù)量，i 為各節(jié)點按圓弧位置不同的編號。


圖4 位移約束和作用力加載

模型的計算結(jié)果如圖5 所示，根據(jù)以上計算結(jié)果匯總得到下表1。由表1 可知，T 形方案相對與L 形方案在載荷不變的情況，結(jié)構(gòu)整體受力和變形情況有一定改善，最大應力值降低19.3％，最大變形量降低37.4％。


圖5 軸承外圈座L 形方案和T 形方案計算比較

該計算結(jié)果主要用于比較L 形方案和T 形方案在結(jié)構(gòu)受力情況上的變化，但由于模型做了一定簡化，其計算值并不能作為結(jié)構(gòu)實際受力的結(jié)果參考, 實際受力需進行詳細建模。


3 方案創(chuàng)新性和應用實例

“振華30”輪是世界上單臂起重量最大的全回轉(zhuǎn)起重打撈工程船，單臂最大起重量為12 000 t。如此龐然大物，中心回轉(zhuǎn)裝置上部結(jié)構(gòu)，包括臂架、人字架、桁框架、回轉(zhuǎn)底盤等的安裝及拆卸都需要付出極大財力、物力、人力。因此，其中心回轉(zhuǎn)裝置采用此易拆卸型設計，回轉(zhuǎn)軸承直徑為6.5 m，整個回轉(zhuǎn)軸承分為18 段，一旦回轉(zhuǎn)軸承損壞或磨損到極限時，便可以將軸承外圈座脫落至下部固定結(jié)構(gòu)上，露出回轉(zhuǎn)軸承，從而方便對回轉(zhuǎn)軸承部分或全部進行更換、維護等，目前該方案應用良好。

4 結(jié)論

中心回轉(zhuǎn)軸承的承載較大，使用頻繁，由于中心回轉(zhuǎn)軸承安裝在回轉(zhuǎn)裝置內(nèi)部，若軸承損壞或磨損至極限時，則需付出巨大人力和經(jīng)濟成本對其進行更換。本文提出一種易拆卸型中心回轉(zhuǎn)裝置，輕松實現(xiàn)軸承外圈座的脫離，便于回轉(zhuǎn)軸承的損壞后更換，解決了回轉(zhuǎn)軸承制造、安裝和更換維護技術(shù)難題。同時，提出兩種軸承外圈座型式，并通過有限元計算比較了軸承外圈座L 形結(jié)構(gòu)和T 形結(jié)構(gòu)的受力變形情況，該分析思路和結(jié)果對其他設計具有一定參考價值。

參考文獻

[1] 隋振華，嚴兵，郭宏亮. 超大型全回轉(zhuǎn)浮吊輪壓分析及優(yōu)化研究[J]. 船舶工程，2015，37（12）：40-81．

[2] 王悅民，邱慧清，童民慧. 超大型全回轉(zhuǎn)浮吊新型回轉(zhuǎn)支撐裝置關(guān)鍵技術(shù)的研究[J]. 中國工程機械學報，2009，7（2）：180-184．

[3] 彭奇，陸忠華，黃瑋東. 大型全回轉(zhuǎn)浮吊回轉(zhuǎn)支撐技術(shù)研究[J]. 港口裝卸，2012(5)：9-11．