全國
手機(jī)版|
關(guān)注公眾號|
下載手機(jī)APP季圣國 王 鑫 張炳發(fā)
上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125
摘 要：中心回轉(zhuǎn)軸承可以同時(shí)承受較大的軸向、徑向負(fù)荷和傾覆力矩，是大型全回轉(zhuǎn)浮式起重機(jī)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(jìn)行維護(hù)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(shè)計(jì)方法，并對回轉(zhuǎn)軸承外圈座兩種形式進(jìn)行了比較計(jì)算。
關(guān)鍵詞：全回轉(zhuǎn)浮式起重機(jī)；回轉(zhuǎn)軸承；易拆卸；設(shè)計(jì)
中圖分類號：TH218 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）17-0059-03
大型全回轉(zhuǎn)浮式起重機(jī)（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(shè)、海洋平臺的拆卸與安裝、沿海風(fēng)電設(shè)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(shí)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(xiàn)[1] 研究了滾輪輪壓的形成及優(yōu)化對回轉(zhuǎn)浮吊設(shè)計(jì)的重要意義；文獻(xiàn)[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(diǎn)，提出了新型的鏈?zhǔn)綕L輪回轉(zhuǎn)支撐裝置；文獻(xiàn)[3] 假設(shè)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(zhǔn)確設(shè)計(jì)浮吊回轉(zhuǎn)支撐的方案，但關(guān)于另一項(xiàng)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(shè)計(jì)方案也很單一。文中提出一種新型易拆卸回轉(zhuǎn)軸承設(shè)計(jì)安裝方法，并對外圈座兩種形式進(jìn)行比較計(jì)算。
1 回轉(zhuǎn)軸承易拆卸型設(shè)計(jì)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(jià)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。回轉(zhuǎn)軸承外圈座與底盤用高強(qiáng)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(shí)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(hù)技術(shù)難題。圖2a 為中心回轉(zhuǎn)裝置在正常工作時(shí)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(shí)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(hù)。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(shè)計(jì)方法
2 軸承外圈座方案比較
作為連接起重機(jī)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(shí)會受到較大的橫向力，合理的設(shè)計(jì)方案對其受力有較大影響。圖3 為軸承外圈座的兩個(gè)初步設(shè)計(jì)方案，其中圖3a 為L 形結(jié)構(gòu)，即軸承外圈座與起重機(jī)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(gè)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(gè)設(shè)計(jì)方案的受力情況，分別對其進(jìn)行了有限元計(jì)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(shè)計(jì)方案
在建立以上兩個(gè)設(shè)計(jì)方案的有限元模型時(shí)，考慮到以下幾點(diǎn)：1）計(jì)算的目的是為了比較兩個(gè)方案的結(jié)構(gòu)受力情況，故構(gòu)建模型中應(yīng)反映出不同方案之間的結(jié)構(gòu)區(qū)別；2）其余條件設(shè)置應(yīng)盡量不變；3）兩個(gè)設(shè)計(jì)方案的實(shí)際受力情況應(yīng)分別構(gòu)建詳細(xì)模型來分析。模型尺寸以 “振華30”輪起重機(jī)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(gè)方向的平動。關(guān)于作用力的設(shè)置，考慮到作用端面為一圓弧面，不同位置節(jié)點(diǎn)的作用力大小不同，故作用力根據(jù)其節(jié)點(diǎn)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(diǎn)個(gè)數(shù)，F(xiàn)j(i) 為各節(jié)點(diǎn)的作用力大小，N 為網(wǎng)格單元劃分?jǐn)?shù)量，i 為各節(jié)點(diǎn)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(jì)算結(jié)果如圖5 所示，根據(jù)以上計(jì)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(yīng)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(jì)算比較
該計(jì)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(jì)算值并不能作為結(jié)構(gòu)實(shí)際受力的結(jié)果參考, 實(shí)際受力需進(jìn)行詳細(xì)建模。
3 方案創(chuàng)新性和應(yīng)用實(shí)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(cái)力、物力、人力。因此，其中心回轉(zhuǎn)裝置采用此易拆卸型設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)軸承直徑為6.5 m，整個(gè)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(shí)，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(jìn)行更換、維護(hù)等，目前該方案應(yīng)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(shí)，則需付出巨大人力和經(jīng)濟(jì)成本對其進(jìn)行更換。本文提出一種易拆卸型中心回轉(zhuǎn)裝置，輕松實(shí)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(hù)技術(shù)難題。同時(shí)，提出兩種軸承外圈座型式，并通過有限元計(jì)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(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 隋振華，嚴(yán)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(jī)械學(xué)報(bào)，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．
上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125
摘 要：中心回轉(zhuǎn)軸承可以同時(shí)承受較大的軸向、徑向負(fù)荷和傾覆力矩，是大型全回轉(zhuǎn)浮式起重機(jī)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(jìn)行維護(hù)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(shè)計(jì)方法，并對回轉(zhuǎn)軸承外圈座兩種形式進(jìn)行了比較計(jì)算。
關(guān)鍵詞：全回轉(zhuǎn)浮式起重機(jī)；回轉(zhuǎn)軸承；易拆卸；設(shè)計(jì)
中圖分類號：TH218 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）17-0059-03
大型全回轉(zhuǎn)浮式起重機(jī)（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(shè)、海洋平臺的拆卸與安裝、沿海風(fēng)電設(shè)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(shí)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(xiàn)[1] 研究了滾輪輪壓的形成及優(yōu)化對回轉(zhuǎn)浮吊設(shè)計(jì)的重要意義；文獻(xiàn)[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(diǎn)，提出了新型的鏈?zhǔn)綕L輪回轉(zhuǎn)支撐裝置；文獻(xiàn)[3] 假設(shè)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(zhǔn)確設(shè)計(jì)浮吊回轉(zhuǎn)支撐的方案，但關(guān)于另一項(xiàng)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(shè)計(jì)方案也很單一。文中提出一種新型易拆卸回轉(zhuǎn)軸承設(shè)計(jì)安裝方法，并對外圈座兩種形式進(jìn)行比較計(jì)算。
1 回轉(zhuǎn)軸承易拆卸型設(shè)計(jì)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(jià)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。回轉(zhuǎn)軸承外圈座與底盤用高強(qiáng)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(shí)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(hù)技術(shù)難題。圖2a 為中心回轉(zhuǎn)裝置在正常工作時(shí)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(shí)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(hù)。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(shè)計(jì)方法
2 軸承外圈座方案比較
作為連接起重機(jī)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(shí)會受到較大的橫向力，合理的設(shè)計(jì)方案對其受力有較大影響。圖3 為軸承外圈座的兩個(gè)初步設(shè)計(jì)方案，其中圖3a 為L 形結(jié)構(gòu)，即軸承外圈座與起重機(jī)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(gè)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(gè)設(shè)計(jì)方案的受力情況，分別對其進(jìn)行了有限元計(jì)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(shè)計(jì)方案
在建立以上兩個(gè)設(shè)計(jì)方案的有限元模型時(shí)，考慮到以下幾點(diǎn)：1）計(jì)算的目的是為了比較兩個(gè)方案的結(jié)構(gòu)受力情況，故構(gòu)建模型中應(yīng)反映出不同方案之間的結(jié)構(gòu)區(qū)別；2）其余條件設(shè)置應(yīng)盡量不變；3）兩個(gè)設(shè)計(jì)方案的實(shí)際受力情況應(yīng)分別構(gòu)建詳細(xì)模型來分析。模型尺寸以 “振華30”輪起重機(jī)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(gè)方向的平動。關(guān)于作用力的設(shè)置，考慮到作用端面為一圓弧面，不同位置節(jié)點(diǎn)的作用力大小不同，故作用力根據(jù)其節(jié)點(diǎn)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(diǎn)個(gè)數(shù)，F(xiàn)j(i) 為各節(jié)點(diǎn)的作用力大小，N 為網(wǎng)格單元劃分?jǐn)?shù)量，i 為各節(jié)點(diǎn)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(jì)算結(jié)果如圖5 所示，根據(jù)以上計(jì)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(yīng)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(jì)算比較
該計(jì)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(jì)算值并不能作為結(jié)構(gòu)實(shí)際受力的結(jié)果參考, 實(shí)際受力需進(jìn)行詳細(xì)建模。
3 方案創(chuàng)新性和應(yīng)用實(shí)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(cái)力、物力、人力。因此，其中心回轉(zhuǎn)裝置采用此易拆卸型設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)軸承直徑為6.5 m，整個(gè)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(shí)，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(jìn)行更換、維護(hù)等，目前該方案應(yīng)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(shí)，則需付出巨大人力和經(jīng)濟(jì)成本對其進(jìn)行更換。本文提出一種易拆卸型中心回轉(zhuǎn)裝置，輕松實(shí)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(hù)技術(shù)難題。同時(shí)，提出兩種軸承外圈座型式，并通過有限元計(jì)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(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 隋振華，嚴(yán)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(jī)械學(xué)報(bào)，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．
