回轉(zhuǎn)支撐軸承防護(hù)罩殼的設(shè)計(jì)

陸 凱 趙 瑛 李朝陽(yáng)

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

海上風(fēng)電安裝船是一種新型的海洋工程船，是可用來進(jìn)行海上風(fēng)機(jī)、基礎(chǔ)運(yùn)輸及安裝施工的海上風(fēng)電施工平臺(tái)[1]。目前，世界上最大的風(fēng)電安裝船是龍?jiān)凑袢A3號(hào)，配備龍?jiān)凑袢A2 000 t風(fēng)電安裝起重機(jī)，屬于全回轉(zhuǎn)式起重機(jī)，其回轉(zhuǎn)軸承為剖分式三排圓柱滾子組合轉(zhuǎn)盤軸承，外徑為12.38 m，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)最大的回轉(zhuǎn)支撐軸承，也是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的分段式回轉(zhuǎn)支撐軸承(見圖1)，承載能力達(dá)到80 000 tm[2]。

圖1 分段式回轉(zhuǎn)支撐軸承

與整體軸承不同，分段式軸承的分段處必須做防水、防塵和防鹽霧的處理，以避免內(nèi)部滾子銹蝕并保持內(nèi)部清潔干凈，延長(zhǎng)軸承壽命。這就需要一種重量輕、易觀察、易操作、易維護(hù)的防護(hù)罩殼，來保護(hù)軸承不受外部環(huán)境影響[3]。

2 材料選擇

由于傳統(tǒng)的整體軸承不需要用到防護(hù)罩殼，在選擇防護(hù)罩殼的材料和形式上缺少可借鑒的案例，只能通過對(duì)各種材料的對(duì)比來確定。從材料的密度、使用溫度、透光度等因素考慮，玻璃鋼、PVC板、玻璃、有機(jī)玻璃等材料都在備選范圍中，經(jīng)過對(duì)這些材料的分析和比較，最終確定了PC板為最理想的防護(hù)罩殼材料。表1是以6 mm的板材作為測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)不同材料的性能進(jìn)行對(duì)比的數(shù)據(jù)。

從表1中可以看出，F(xiàn)RP(玻璃鋼)的密度適中，熱穩(wěn)定性較好，表面硬度較高，耐腐蝕能力好，是良好的絕緣材質(zhì)，但透光性差，材質(zhì)可燃，抗拉強(qiáng)度一般，表面維護(hù)保養(yǎng)較麻煩。

PVC板的密度較小，抗紫外線能力強(qiáng)，不易老化，熱穩(wěn)定性好，硬PVC的表面強(qiáng)度高，耐腐蝕能力好，是良好的絕緣材質(zhì)；但是使用連續(xù)溫度較低，透光性差，材質(zhì)可燃，抗拉強(qiáng)度一般，表面維護(hù)保養(yǎng)較麻煩。

表1 不同材料的性能對(duì)比

玻璃的連續(xù)使用溫度較高，透光率很好，屬于不燃材質(zhì)，表面硬度較高，維護(hù)保養(yǎng)比較容易，耐腐蝕能力好，是良好的絕緣材質(zhì)；但是玻璃的密度大，單位體積重量就大，抗紫外線能力差，易老化，熱穩(wěn)定性差，急冷急熱易發(fā)生炸裂，抗拉強(qiáng)度較低，是脆性材料。

有機(jī)玻璃的密度較小，透光率很好，維護(hù)保養(yǎng)比較容易，耐腐蝕能力好；但是材料可燃，表面硬度低，抗拉強(qiáng)度較低。

PC板的密度較小，單位體積重量輕，透光性很好，抗紫外線能力強(qiáng)，不易老化，材料難燃，熱穩(wěn)定性好，抗拉強(qiáng)度好，表面維護(hù)保養(yǎng)較容易，耐腐蝕能力較好，是良好的絕緣材質(zhì)；但是表面硬度較差。

本項(xiàng)目防護(hù)罩殼材料的要求是重量輕、易觀察、易維護(hù)，能防水、防塵、防鹽霧，可抵抗海上風(fēng)浪、陽(yáng)光暴曬、臺(tái)風(fēng)等影響。縱觀以上材料，PC板很好地符合了這些要求，是海上風(fēng)電安裝起重機(jī)回轉(zhuǎn)軸承防護(hù)罩殼最理想的材料。本項(xiàng)目用的是PC耐力板，PC耐力板的基本參數(shù)和透光率見表2和表3。

表2 PC耐力板的基本參數(shù)

表3 PC耐力板的透光率

風(fēng)電安裝起重機(jī)一般在海上作業(yè)，復(fù)雜的海況難免會(huì)使起重機(jī)受到不同程度的沖擊，PC板的抗沖擊力最大可達(dá)907 J/m，是普通玻璃的200倍，比亞克力板強(qiáng)8倍，幾乎沒有斷裂的危險(xiǎn)性。PC板的采光性極佳，80～99%的高透光率可與玻璃相媲美，有“透明鋼板”的美譽(yù)之稱，這就使得從起重機(jī)外部觀察內(nèi)部部件運(yùn)行情況變得非常方便。但是PC板的密度僅為1.2 g/cm3，重量輕又堅(jiān)固耐用，對(duì)于有嚴(yán)格限重要求的海工項(xiàng)目，輕量化設(shè)計(jì)是首要的目標(biāo)。PC板本身不自燃，且具有自熄性，在零下30℃～130℃的測(cè)試范圍內(nèi)，不會(huì)引起板材變形等品質(zhì)變化。PC板表面的UV劑具有吸收紫外線的功能，并轉(zhuǎn)化為可見光，戶外可保證十年不褪色，這也保證了起重機(jī)的美觀性。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到起重機(jī)的分段式回轉(zhuǎn)支撐軸承不僅要求防水防塵防鹽霧，而且還要經(jīng)常對(duì)外齒圈進(jìn)行人工涂油維護(hù)；其次，軸承直徑約為13 m，內(nèi)部有204個(gè)M80的大螺栓要經(jīng)常性用拉伸器進(jìn)行預(yù)緊，要求防護(hù)罩殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要易于進(jìn)行維護(hù)。螺栓和搭扣結(jié)合的形式很好地解決了以上問題。打開搭扣門，就可以從外部清楚地看到內(nèi)部齒輪的嚙合情況，還能方便地進(jìn)行涂油維護(hù)。

龍?jiān)凑袢A2 000 t風(fēng)電安裝起重機(jī)回轉(zhuǎn)支撐軸承防護(hù)罩殼由支架、PC板、搭扣、合頁(yè)以及緊固件組成。按照罩殼的結(jié)構(gòu)形式，可以分為雙層防護(hù)罩殼(見圖2)和單層防護(hù)罩殼(見圖3)。

圖2 雙層防護(hù)罩殼

圖3 單層防護(hù)罩殼

雙層防護(hù)罩殼安裝在回轉(zhuǎn)底盤和圓筒體之間，回轉(zhuǎn)支撐軸承外側(cè)，罩殼的支架焊接在回轉(zhuǎn)底盤上。支架由L40的等邊角鋼和板厚為4 mm扁鋼搭建而成，支架底部用10 mm橡膠和2 mm厚的不銹鋼作為封板，用M6的螺栓做連接，密封性極佳(見圖4)。雙層防護(hù)罩殼分層處用搭扣進(jìn)行鎖緊，打開搭扣，即打開下層罩殼，可用于對(duì)外齒圈進(jìn)行人工涂油維護(hù)，也可對(duì)外圈204個(gè)M80的大螺栓用拉伸器進(jìn)行預(yù)緊；扣緊搭扣即關(guān)閉罩殼時(shí)，也可觀察外齒圈的運(yùn)行情況。

圖4 防護(hù)罩殼的支架結(jié)構(gòu)

單層防護(hù)罩殼安裝在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)下方，回轉(zhuǎn)小齒輪的外側(cè)，罩殼的支架焊接在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支架的下方。支架也是由L40的等邊角鋼和板厚為4 mm扁鋼搭建而成，支架底部用10 mm橡膠和2 mm厚的不銹鋼作為封板，用M6的螺栓做連接，結(jié)構(gòu)和雙層防護(hù)罩殼類似。與雙層防護(hù)罩殼不同的是，單層罩殼不用搭扣連接，因?yàn)榇藗?cè)安裝了6個(gè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，致使底盤過道變窄，加上此處的回轉(zhuǎn)小齒輪也不用經(jīng)常維護(hù)，如果再用雙層防護(hù)罩殼，操作空間將非常有限。如需要拆卸此處罩殼時(shí)，只需拆卸下緊固件即可。

4 結(jié)語

海上風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)屬于新興產(chǎn)業(yè)，按照規(guī)劃到2020年，我國(guó)海上風(fēng)電總裝機(jī)容量應(yīng)達(dá)到3 000萬kW。風(fēng)電安裝船在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮著重要的角色，更大噸位的風(fēng)電安裝起重機(jī)也會(huì)應(yīng)運(yùn)而生，大型的分段式軸承將廣泛應(yīng)用于起重機(jī)上。這種新型防護(hù)罩殼已在龍?jiān)凑袢A2 000 t風(fēng)電安裝起重船上成功運(yùn)用，為今后研發(fā)設(shè)計(jì)海工裝備提供了一個(gè)很好的參考。