集成式大型转盘轴承设计研究

郭宏亮 李朝阳 陆 凯

上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

摘 要：装备于风电安装平台的全回转起重机呈大型化趋势发展，相应地，起重机转盘轴承的承载能力已经从50000 万N·m 发展到100 000 万N·m 乃至170 000 万N·m；转盘直径也越来越大，从5~7 m，发展到10~15 m。传统的三排滚子转盘轴承因受加工和运输限制，尺寸和能力已难以满足产品要求，经济性也较差。文中提出一种新的转盘轴承设计和研究方案，旨在使主机厂降低制造和运输难度，并降低成本。

关键词：起重机，转盘轴承，三排圆柱滚子，承载能力

中图分类号：TH133.3 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）24-0060-04

0 引言

随着风电技术的持续高速发展，海上风机正朝着大型化、深水化方向发展。单风机功率已经从3~5 MW 发展到10 MW，最重单机质量也已经达到1 800 t。与之对应的风电安装起重机的吊装能力也从十年前的500 ~800 t 发展到1 000 ~ 1 200 t，近两年亦逐步开始研制2000 ~ 2 500 t 级风电安装起重机。风电安装平台起重机用转盘轴承工作载荷越来越大，目前已有轴向力5 600 t，倾覆力矩100 000 万N·m 的载荷需求，计算表明需要外径10 m 以上的三排圆柱滚子组合转盘轴承，才能满足这一工况。

外径10 m 以上的三排圆柱滚子组合转盘轴承，存在着加工与运输的极大困难，且制造成本也急剧增加。通过集成设计和研究，提出了一种集成的转盘轴承设计方案，旨在降低转盘轴承的制造难度和运输难度、缩短转盘轴承的生产周期、缩减转盘轴承的生产成本，适应海上风电安装起重机的发展，提高主机厂的竞争力。

2 设计方案及特色

2.1 转盘轴承结构组成

新的转盘轴承由6 部分组成：轴承支座、反滚轮结构、回转驱动机构、正滚轮组件、径向定心装置和反滚轮组件（见图1）。图中件1 为起重机回转部分，件5为起重机固定部分，件2 反滚轮结构和件7 正滚子组件集成在件1 回转部件上，件3 轴承支座集成在件5 固定支座上。

工作时，起重机正压力和倾覆力矩直接作用在件7（正滚子组件，整圈布置），通过件8（回转驱动机构）来驱动起重机回转；当起重机的重心偏离轴承滚子覆盖范围时，件2 和件4（反滚轮及组件）起作用，保证起重机不发生倾覆；在回转过程中，件6（径向定心装置）对起重机回转运动进行定心和纠偏，保证起重机始终绕轴承中心进行回转。

设计方案通过高度的集成, 主机结构作为轴承座体的一部分, 通过座体箱体结构来保证轴承的刚性和强度,尽可能减少集成转盘轴承的质量。并且省去了传统转盘轴承螺栓群连接形式和分体安装，降低了制造和安装难度。由于是非锻件制造，全部为焊接和现场加工，在节省装配时间的同时又降低了整机成本。

1. 回转部件 2. 反滚轮结构 3.轴承支座4. 反滚轮组件 5. 固定支座 6. 径向定心装置7. 正滚子组件 8. 回转驱动机构

图 1 转盘轴承截面

2.2 设计方案特色

方案设计全部结构采用钢板焊接工艺制造，无须锻件加工，可在主机总装厂附近制造，或在主机厂现场制造；也可分段加工成型后，运输到主机装配现场再拼接成整体。

滚道面表层采用Hardox 600 高硬度板，硬度可达HB 570-640，安装布置如图2 所示。该硬度板采用整体淬火，其最低中心硬度能达到表面硬度的90%，可靠性高，适用于承受磨损的各种零件和结构，能更好地抵抗凹痕和磨损，使用寿命长。

新方案放弃传统转盘轴承所使用的螺栓连接改为集成连接，节省了连接成本和人工，提高了可靠性。通过技术经济性比较分析，在同等受力情况下，相比于三排滚柱组合转盘轴承，采用本集成方案设计的转盘轴承可节约1/3~1/2 的成本。轴承尺寸越大，新集成方案越有优势，且该技术经济性比较还是在不考虑三排滚子组合转盘轴承运输风险的情况下进行的。

1. 正滚子组件 2. 轴承支撑结构 3.反滚轮装置4. handox 600

图 2 高硬度板安装布置图

3 设计方案校核

3.1 轴承结构建模分析

利用有限元分析软件Ansys 对回转轴承支座结构、正滚子支撑结构和反滚轮滚道结构进行建模计算。

1）模型能在一定程度上模拟轮压载荷靠近筒壁处大而远离筒壁处小的特点。

2）模型假定轴承支座结构及上部回转结构是极大刚性的，但实际上局部刚度是变化的。

3）实际起重机的倾覆力矩首先从起重机上部回转结构圆周刚度最大的几个点传递下来的，故这几个点的局部载荷应该更大。

要消除误差2 和3，就有必要在模型中对起重机上部回转结构进行详细的建模，本文仅从单独的转盘轴承部分进行建模和计算。

800 000 000 N·m 倾覆力矩和56 000 000 N 垂直力加载在14 m 转盘轴承模型上，有限元分析如图3、图4所示。

图 3 转盘轴承支座结构建模分析

图 4 正、反滚轮支撑结构建模分析

3.2 轴承容量及强度校核

该转盘轴承本质上也是一种典型的组合轴承，可按三排圆柱组合转盘轴承进行模型假设；正滚子和反滚轮等同三排圆柱组合转盘轴承的正反滚子，径向定心装置等同三排圆柱组合转盘轴承的径向滚子。

1 ）滚道接触应力计算

在回转支撑允许静承载能力的确定上，有各种论点，通常将接触永久变形限制为0.000 1d0，d0 为轴承滚子直径[1]。轴承滚子线接触许用赫兹接触应力

式中：[σmax] 为许用赫兹接触应力；Cp 为接触应力常数，可从图5 中查出[3]，对于滚珠和平面接触，取86.1；δb /d0 为滚道永久变形和滚动体直径的比值，取0.000 1；f H 为硬度系数f H=HV /750，HV 为实际滚道硬度。

图 5 各种接触应力常数Cp

线接触最大接触应力

式中：P 为滚动体上轮压；d0 为滚动体直径；l0 为滚动体有效长度，取滚珠长度的0.8~0.85 倍。接触应力校核：如选择滚道硬度为HV 640，则[σmax]=2 300 MPa； 选择P =120 t，d0=120 mm，l0=300mm，则σmax=1 700 MPa。σmax<[σmax]。

2 ) 转盘轴承的额定静负荷容量计算和校核转盘轴承的额定静负荷容量，指接触点的永久变形限制在指定范围时，轴承支撑滚道（滚动体）承受静负荷的能力。额定静负荷容量又分轴向和径向额定静负荷容量两种。本转盘轴承而以承受轴向力为主，因此仅作轴向静负荷容量计算，公式为[2]

式中：Z0 为一排滚动体数量；i0 为承受某一方向轴向力的滚动体排数d0 为滚动体直径；l0 为滚动体的有效接触长度，取滚子长度的0.8~0.85 倍；γ 为滚动体与滚道的接触角。轴承的当量轴向负荷

式中：M 为作用在轴承上的倾覆力矩；Gp 为作用在轴承上的轴向力；Hp 为作用在轴承上的径向力；γ 为滚动体与滚道的接触角。

额定静负荷容量Coa 与当量负荷Cd 的比值Coa /Cd 称为转盘轴承的安全系数fs，其计算结果应满足表1 的要求[3]。

选择Z0=306，i0=1，d0=120 mm，l0=300 mm， 则Coa=601 620 480 N。M=1 000 000 000 N·m，Gp=5 600 t，γ=90°，Hp 忽略不计，则Cd=337 250 000 N，安全系数fs=1.78。

4 结语

本文设计、研究的转盘轴承和主机集成度高，解决了制造和运输的难题，比传统三排圆柱滚子转盘轴承节省30%~50% 的成本。并提出了模型建立的假设和限制，计算校核的方法供参考。随着风电平台安装起重机的安全工作载荷越来越大，越来越多的转盘轴承直径大于10 m，倾覆力矩超过100 000 万N·m，该转盘轴承设计方案可为后续的研究设计提供参考。

参考文献

[1] JBT 10837—2008 建筑施工机械与设备三排柱式回转支撑[S].

[2] DNVGL-ST-0378 Standard for offshore and platform liftingappliances [S].

[3] 徐立民, 陈卓. 回转支撑[M]. 合肥：安徽科学技术出版社,1988.