郭宏亮李朝陽(yáng)陸凱
上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司上海200125
摘要：裝備于風(fēng)電安裝平臺(tái)的全回轉(zhuǎn)起重機(jī)呈大型化趨勢(shì)發(fā)展，相應(yīng)地，起重機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的承載能力已經(jīng)從50000萬(wàn)N·m發(fā)展到100000萬(wàn)N·m乃至170000萬(wàn)N·m；轉(zhuǎn)盤(pán)直徑也越來(lái)越大，從5~7m，發(fā)展到10~15m。傳統(tǒng)的三排滾子轉(zhuǎn)盤(pán)軸承因受加工和運(yùn)輸限制，尺寸和能力已難以滿足產(chǎn)品要求，經(jīng)濟(jì)性也較差。文中提出一種新的轉(zhuǎn)盤(pán)軸承設(shè)計(jì)和研究方案，旨在使主機(jī)廠降低制造和運(yùn)輸難度，并降低成本。
關(guān)鍵詞：起重機(jī)，轉(zhuǎn)盤(pán)軸承，三排圓柱滾子，承載能力
中圖分類(lèi)號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-0785（2020）24-0060-04
0引言
隨著風(fēng)電技術(shù)的持續(xù)高速發(fā)展，海上風(fēng)機(jī)正朝著大型化、深水化方向發(fā)展。單風(fēng)機(jī)功率已經(jīng)從3~5MW發(fā)展到10MW，最重單機(jī)質(zhì)量也已經(jīng)達(dá)到1800t。與之對(duì)應(yīng)的風(fēng)電安裝起重機(jī)的吊裝能力也從十年前的500~800t發(fā)展到1000~1200t，近兩年亦逐步開(kāi)始研制2000~2500t級(jí)風(fēng)電安裝起重機(jī)。風(fēng)電安裝平臺(tái)起重機(jī)用轉(zhuǎn)盤(pán)軸承工作載荷越來(lái)越大，目前已有軸向力5600t，傾覆力矩100000萬(wàn)N·m的載荷需求，計(jì)算表明需要外徑10m以上的三排圓柱滾子組合轉(zhuǎn)盤(pán)軸承，才能滿足這一工況。
外徑10m以上的三排圓柱滾子組合轉(zhuǎn)盤(pán)軸承，存在著加工與運(yùn)輸?shù)臉O大困難，且制造成本也急劇增加。通過(guò)集成設(shè)計(jì)和研究，提出了一種集成的轉(zhuǎn)盤(pán)軸承設(shè)計(jì)方案，旨在降低轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的制造難度和運(yùn)輸難度、縮短轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的生產(chǎn)周期、縮減轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的生產(chǎn)成本，適應(yīng)海上風(fēng)電安裝起重機(jī)的發(fā)展，提高主機(jī)廠的競(jìng)爭(zhēng)力。
2設(shè)計(jì)方案及特色
2.1轉(zhuǎn)盤(pán)軸承結(jié)構(gòu)組成
新的轉(zhuǎn)盤(pán)軸承由6部分組成：軸承支座、反滾輪結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、正滾輪組件、徑向定心裝置和反滾輪組件（見(jiàn)圖1）。圖中件1為起重機(jī)回轉(zhuǎn)部分，件5為起重機(jī)固定部分，件2反滾輪結(jié)構(gòu)和件7正滾子組件集成在件1回轉(zhuǎn)部件上，件3軸承支座集成在件5固定支座上。
，起重機(jī)正壓力和傾覆力矩直接作用在件7（正滾子組件，整圈布置），通過(guò)件8（回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）來(lái)驅(qū)動(dòng)起重機(jī)回轉(zhuǎn)；當(dāng)起重機(jī)的重心偏離軸承滾，件2和件4（反滾輪及組件）起作用，保證起重機(jī)不發(fā)生傾覆；在回轉(zhuǎn)過(guò)程中，件6（徑向定心裝置）對(duì)起重機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定心和糾偏，保證起重機(jī)始終繞軸承中心進(jìn)行回轉(zhuǎn)。
設(shè)計(jì)方案通過(guò)高度的集成,主機(jī)結(jié)構(gòu)作為軸承座體的一部分,通過(guò)座體箱體結(jié)構(gòu)來(lái)保證軸承的剛性和強(qiáng)度,盡可能減少集成轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的質(zhì)量。并且省去了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤(pán)軸承螺栓群連接形式和分體安裝，降低了制造和安裝難度。由于是非鍛件制造，全部為焊接和現(xiàn)場(chǎng)加工，成本。
1.回轉(zhuǎn)部件2.反滾輪結(jié)構(gòu)3.軸承支座4.反滾輪組件5.固定支座6.徑向定心裝置7.正滾子組件8.回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
圖1轉(zhuǎn)盤(pán)軸承截面
2.2設(shè)計(jì)方案特色
方案設(shè)計(jì)全部結(jié)構(gòu)采用鋼板焊接工藝制造，無(wú)須鍛件加工，可在主機(jī)總裝廠附近制造，或在主機(jī)廠現(xiàn)場(chǎng)制造；也可分段加工成型后，運(yùn)輸?shù)街鳈C(jī)裝配現(xiàn)場(chǎng)再拼接成整體。
滾道面表層采用Hardox600高硬度板，硬度可達(dá)HB570-640，安裝布置如圖2所示。該硬度板采用整體淬火，其最低中心硬度能達(dá)到表面硬度的90%，可靠性高，適用于承受磨損的各種零件和結(jié)構(gòu)，能更好地抵抗凹痕和磨損，使用壽命長(zhǎng)。
新方案放棄傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤(pán)軸承所使用的螺栓連接改為集成連接，節(jié)省了連接成本和人工，提高了可靠性。通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較分析，在同等受力情況下，相比于三排滾柱組合轉(zhuǎn)盤(pán)軸承，采用本集成方案設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)盤(pán)軸承可節(jié)約1/3~1/2的成本。軸承尺寸越大，新集成方案越有優(yōu)勢(shì)，且該技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較還是在不考慮三排滾子組合轉(zhuǎn)盤(pán)軸承運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)的情況下進(jìn)行的。
1.正滾子組件2.軸承支撐結(jié)構(gòu)3.反滾輪裝置4.handox600
圖2高硬度板安裝布置圖
3設(shè)計(jì)方案校核
3.1軸承結(jié)構(gòu)建模分析
利用有限元分析軟件Ansys對(duì)回轉(zhuǎn)軸承支座結(jié)構(gòu)、正滾子支撐結(jié)構(gòu)和反滾輪滾道結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算。
1）模型能在一定程度上模擬輪壓載荷靠近筒壁處大而遠(yuǎn)離筒壁處小的特點(diǎn)。
2）模型假定軸承支座結(jié)構(gòu)及上部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是極大剛性的，但實(shí)際上局部剛度是變化的。
3）實(shí)際起重機(jī)的傾覆力矩首先從起重機(jī)上部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圓周剛度最大的幾個(gè)點(diǎn)傳遞下來(lái)的，故這幾個(gè)點(diǎn)的局部載荷應(yīng)該更大。
要消除誤差2和3，就有必要在模型中對(duì)起重機(jī)上部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的建模，本文僅從單獨(dú)的轉(zhuǎn)盤(pán)軸承部分進(jìn)行建模和計(jì)算。
800000000N·m傾覆力矩和56000000N垂直力加載在14m轉(zhuǎn)盤(pán)軸承模型上，有限元分析如圖3、圖4所示。
圖3轉(zhuǎn)盤(pán)軸承支座結(jié)構(gòu)建模分析
圖4正、反滾輪支撐結(jié)構(gòu)建模分析
3.2軸承容量及強(qiáng)度校核
該轉(zhuǎn)盤(pán)軸承本質(zhì)上也是一種典型的組合軸承，可按三排圓柱組合轉(zhuǎn)盤(pán)軸承進(jìn)行模型假設(shè)；正滾子和反滾輪等同三排圓柱組合轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的正反滾子，徑向定心裝置等同三排圓柱組合轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的徑向滾子。
1）滾道接觸應(yīng)力計(jì)算
在回轉(zhuǎn)支撐允許靜承載能力的確定上，有各種論點(diǎn)，通常將接觸永久變形限制為0.0001d0，d0為軸承滾子直徑[1]。軸承滾子線接觸許用赫茲接觸應(yīng)力
式中：[σmax]為許用赫茲接觸應(yīng)力；Cp為接觸應(yīng)力常數(shù)，可從圖5中查出[3]，對(duì)于滾珠和平面接觸，取86.1；δb/d0為滾道永久變形和滾動(dòng)體直徑的比值，取0.0001；fH為硬度系數(shù)fH=HV/750，HV為實(shí)際滾道硬度。
圖5各種接觸應(yīng)力常數(shù)Cp
線接觸最大接觸應(yīng)力
式中：P為滾動(dòng)體上輪壓；d0為滾動(dòng)體直徑；l0為滾動(dòng)體有效長(zhǎng)度，取滾珠長(zhǎng)度的0.8~0.85倍。接觸應(yīng)力校核：如選擇滾道硬度為HV640，則[σmax]=2300MPa；選擇P=120t，d0=120mm，l0=300mm，則σmax=1700MPa。σmax[σmax]。
2)轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的額定靜負(fù)荷容量計(jì)算和校核轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的額定靜負(fù)荷容量，指接觸點(diǎn)的永久變形限制，軸承支撐滾道（滾動(dòng)體）承受靜負(fù)荷的能力。額定靜負(fù)荷容量又分軸向和徑向額定靜負(fù)荷容量?jī)煞N。本轉(zhuǎn)盤(pán)軸承而以承受軸向力為主，因此僅作軸向靜負(fù)荷容量計(jì)算，公式為[2]
式中：Z0為一排滾動(dòng)體數(shù)量；i0為承受某一方向軸向力的滾動(dòng)體排數(shù)d0為滾動(dòng)體直徑；l0為滾動(dòng)體的有效接觸長(zhǎng)度，取滾子長(zhǎng)度的0.8~0.85倍；γ為滾動(dòng)體與滾道的接觸角。軸承的當(dāng)量軸向負(fù)荷
式中：M為作用在軸承上的傾覆力矩；Gp為作用在軸承上的軸向力；Hp為作用在軸承上的徑向力；γ為滾動(dòng)體與滾道的接觸角。
額定靜負(fù)荷容量Coa與當(dāng)量負(fù)荷Cd的比值Coa/Cd稱(chēng)為轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的安全系數(shù)fs，其計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿足表1的要求[3]。
選擇Z0=306，i0=1，d0=120mm，l0=300mm，則Coa=601620480N。M=1000000000N·m，Gp=5600t，γ=90°，Hp忽略不計(jì)，則Cd=337250000N，安全系數(shù)fs=1.78。
4結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)、研究的轉(zhuǎn)盤(pán)軸承和主機(jī)集成度高，解決了制造和運(yùn)輸?shù)碾y題，比傳統(tǒng)三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤(pán)軸承節(jié)省30%~50%的成本。并提出了模型建立的假設(shè)和限制，計(jì)算校核的方法供參考。隨著風(fēng)電平臺(tái)安裝起重機(jī)的安全工作載荷越來(lái)越大，越來(lái)越多的轉(zhuǎn)盤(pán)軸承直徑大于10m，傾覆力矩超過(guò)100000萬(wàn)N·m，該轉(zhuǎn)盤(pán)軸承設(shè)計(jì)方案可為后續(xù)的研究設(shè)計(jì)提供參考。
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