大型全回转浮式起重机中心回转装置设计研究

季圣国 王 鑫 张炳发

上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

摘 要：中心回转轴承可以同时承受较大的轴向、径向负荷和倾覆力矩，是大型全回转浮式起重机的重要部件。由于中心回转轴承安装在回转装置内部，若轴承损坏，则难以对其进行维护和更换。为解决这一难题，文中提出一种大型回转轴承的易拆卸设计方法，并对回转轴承外圈座两种形式进行了比较计算。

关键词：全回转浮式起重机；回转轴承；易拆卸；设计

中图分类号：TH218 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）17-0059-03

大型全回转浮式起重机（以下简称浮吊）可在无需船体位移的情况下完成吊重物横向位移，尤其适于在船两舷的转移吊重，可大大提高浮吊海上作业的安全性。近些年来，随着海洋石油开发、大型海上工程建设、海洋平台的拆卸与安装、沿海风电设备安装和海难救助事业的发展，大型全回转浮吊的需求迅猛增加。

中心回转装置和回转支承装置（主要是滚轮和反滚轮）是大型浮吊实现全回转的关键技术，承载整台浮吊的自重载荷、其他载荷以及因此产生的倾覆力矩。全回转支撑装置的研究有：文献[1] 研究了滚轮轮压的形成及优化对回转浮吊设计的重要意义；文献[2] 通过分析台车式回转支承装置和多排密布滚轮式回转支撑装置的结构特点，提出了新型的链式滚轮回转支撑装置；文献[3] 假设浮吊回转底盘和下支撑为极大钢体，提出一种快速且较准确设计浮吊回转支撑的方案，但关于另一项大型浮吊全回转关键技术——中心回转装置的研究相对较少，设计方案也很单一。文中提出一种新型易拆卸回转轴承设计安装方法，并对外圈座两种形式进行比较计算。

1 回转轴承易拆卸型设计方法

中心回转轴承是大型全回转浮吊的重要构件，目前市场存在的浮吊大多在中心回转轴承损坏后，更换代价非常巨大，需要将中心回转装置以上结构（包括回转底盘、桁框架、人字架、臂架等）都拆卸，如图1 所示，才能更换中心回转轴承，大大降低全回转浮吊的使用效率。

图1 中心回转装置位置

中心回转装置主要由轴承外圈座、轴承内圈座和中心回转轴承三部分组成，见图2。回转轴承外圈座与底盘用高强度螺栓连接，回转轴承内圈座为下支撑筒体的一部分，轴承内、外圈座之间由分段轴承相互润滑连接，轴承外圈座与筒体之间高度空间较大，轻松实现轴承外圈座的脱离，便于回转轴承损坏后更换，解决了回转轴承制造、安装和更换维护技术难题。图2a 为中心回转装置在正常工作时回转轴承内外圈的装配位置，图2b为中心回转装置在维修时回转轴承内外圈的装配位置。拆除回转轴承外圈座和上部回转结构之间的固定螺栓，回转轴承外圈座自动脱落在下部固定结构上，露出回转轴承，以便于对回转轴承的更换、维护。为了保证充分润滑，在外圈座的外侧面上加工有润滑油孔，用来给轴承加注润滑油。

（a）正常工作状态

（b）维修状态

图2 回转轴承易拆卸设计方法

2 轴承外圈座方案比较

作为连接起重机底座与内筒体之间的核心部件，回转轴承外圈座和内圈座在拖航时会受到较大的横向力，合理的设计方案对其受力有较大影响。图3 为轴承外圈座的两个初步设计方案，其中图3a 为L 形结构，即轴承外圈座与起重机底部的连接部结构位于圈座壁的上侧，壁端下侧分布多个梯形肋板；图3b 为T 形结构，即连接部结构位于圈座壁的中间位置。为了分析比较这两个设计方案的受力情况，分别对其进行了有限元计算。

（a）L 形结构- 方案1

（b）T 形结构- 方案2

图3 轴承外圈座设计方案

在建立以上两个设计方案的有限元模型时，考虑到以下几点：1）计算的目的是为了比较两个方案的结构受力情况，故构建模型中应反映出不同方案之间的结构区别；2）其余条件设置应尽量不变；3）两个设计方案的实际受力情况应分别构建详细模型来分析。模型尺寸以 “振华30”轮起重机为依据，位移约束和载荷作用如图4 所示，其中位移约束为三个方向的平动。关于作用力的设置，考虑到作用端面为一圆弧面，不同位置节点的作用力大小不同，故作用力根据其节点位置不同而有

式中：FN 为平均作用力值，TOTAL -N 为圆弧面的节点个数，Fj(i) 为各节点的作用力大小，N 为网格单元划分数量，i 为各节点按圆弧位置不同的编号。

图4 位移约束和作用力加载

模型的计算结果如图5 所示，根据以上计算结果汇总得到下表1。由表1 可知，T 形方案相对与L 形方案在载荷不变的情况，结构整体受力和变形情况有一定改善，最大应力值降低19.3％，最大变形量降低37.4％。

图5 轴承外圈座L 形方案和T 形方案计算比较

该计算结果主要用于比较L 形方案和T 形方案在结构受力情况上的变化，但由于模型做了一定简化，其计算值并不能作为结构实际受力的结果参考, 实际受力需进行详细建模。

3 方案创新性和应用实例

“振华30”轮是世界上单臂起重量最大的全回转起重打捞工程船，单臂最大起重量为12 000 t。如此庞然大物，中心回转装置上部结构，包括臂架、人字架、桁框架、回转底盘等的安装及拆卸都需要付出极大财力、物力、人力。因此，其中心回转装置采用此易拆卸型设计，回转轴承直径为6.5 m，整个回转轴承分为18 段，一旦回转轴承损坏或磨损到极限时，便可以将轴承外圈座脱落至下部固定结构上，露出回转轴承，从而方便对回转轴承部分或全部进行更换、维护等，目前该方案应用良好。

4 结论

中心回转轴承的承载较大，使用频繁，由于中心回转轴承安装在回转装置内部，若轴承损坏或磨损至极限时，则需付出巨大人力和经济成本对其进行更换。本文提出一种易拆卸型中心回转装置，轻松实现轴承外圈座的脱离，便于回转轴承的损坏后更换，解决了回转轴承制造、安装和更换维护技术难题。同时，提出两种轴承外圈座型式，并通过有限元计算比较了轴承外圈座L 形结构和T 形结构的受力变形情况，该分析思路和结果对其他设计具有一定参考价值。

参考文献

[1] 隋振华，严兵，郭宏亮. 超大型全回转浮吊轮压分析及优化研究[J]. 船舶工程，2015，37（12）：40-81．

[2] 王悦民，邱慧清，童民慧. 超大型全回转浮吊新型回转支撑装置关键技术的研究[J]. 中国工程机械学报，2009，7（2）：180-184．

[3] 彭奇，陆忠华，黄玮东. 大型全回转浮吊回转支撑技术研究[J]. 港口装卸，2012(5)：9-11．