回轉支撐軸承防護罩殼的設計

陸 凱 趙 瑛 李朝陽

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

海上風電安裝船是一種新型的海洋工程船，是可用來進行海上風機、基礎運輸及安裝施工的海上風電施工平臺[1]。目前，世界上最大的風電安裝船是龍源振華3號，配備龍源振華2 000 t風電安裝起重機，屬于全回轉式起重機，其回轉軸承為剖分式三排圓柱滾子組合轉盤軸承，外徑為12.38 m，是當前國內最大的回轉支撐軸承，也是國內首創(chuàng)的分段式回轉支撐軸承(見圖1)，承載能力達到80 000 tm[2]。

圖1 分段式回轉支撐軸承

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，以避免內部滾子銹蝕并保持內部清潔干凈，延長軸承壽命。這就需要一種重量輕、易觀察、易操作、易維護的防護罩殼，來保護軸承不受外部環(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罩殼，在選擇防護罩殼的材料和形式上缺少可借鑒的案例，只能通過對各種材料的對比來確定。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、有機玻璃等材料都在備選范圍中，經(jīng)過對這些材料的分析和比較，最終確定了PC板為最理想的防護罩殼材料。表1是以6 mm的板材作為測試數(shù)據(jù)，對不同材料的性能進行對比的數(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，但透光性差，材質可燃，抗拉強度一般，表面維護保養(yǎng)較麻煩。

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

表1 不同材料的性能對比

玻璃的連續(xù)使用溫度較高，透光率很好，屬于不燃材質，表面硬度較高，維護保養(yǎng)比較容易，耐腐蝕能力好，是良好的絕緣材質；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，抗拉強度較低，是脆性材料。

有機玻璃的密度較小，透光率很好，維護保養(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，不易老化，材料難燃，熱穩(wěn)定性好，抗拉強度好，表面維護保養(yǎng)較容易，耐腐蝕能力較好，是良好的絕緣材質；但是表面硬度較差。

本項目防護罩殼材料的要求是重量輕、易觀察、易維護，能防水、防塵、防鹽霧，可抵抗海上風浪、陽光暴曬、臺風等影響。縱觀以上材料，PC板很好地符合了這些要求，是海上風電安裝起重機回轉軸承防護罩殼最理想的材料。本項目用的是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

風電安裝起重機一般在海上作業(yè)，復雜的海況難免會使起重機受到不同程度的沖擊，PC板的抗沖擊力最大可達907 J/m，是普通玻璃的200倍，比亞克力板強8倍，幾乎沒有斷裂的危險性。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”的美譽之稱，這就使得從起重機外部觀察內部部件運行情況變得非常方便。但是PC板的密度僅為1.2 g/cm3，重量輕又堅固耐用，對于有嚴格限重要求的海工項目，輕量化設計是首要的目標。PC板本身不自燃，且具有自熄性，在零下30℃～130℃的測試范圍內，不會引起板材變形等品質變化。PC板表面的UV劑具有吸收紫外線的功能，并轉化為可見光，戶外可保證十年不褪色，這也保證了起重機的美觀性。

3 結構設計

考慮到起重機的分段式回轉支撐軸承不僅要求防水防塵防鹽霧，而且還要經(jīng)常對外齒圈進行人工涂油維護；其次，軸承直徑約為13 m，內部有204個M80的大螺栓要經(jīng)常性用拉伸器進行預緊，要求防護罩殼的結構設計要易于進行維護。螺栓和搭扣結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部齒輪的嚙合情況，還能方便地進行涂油維護。

龍源振華2 000 t風電安裝起重機回轉支撐軸承防護罩殼由支架、PC板、搭扣、合頁以及緊固件組成。按照罩殼的結構形式，可以分為雙層防護罩殼(見圖2)和單層防護罩殼(見圖3)。

圖2 雙層防護罩殼

圖3 單層防護罩殼

雙層防護罩殼安裝在回轉底盤和圓筒體之間，回轉支撐軸承外側，罩殼的支架焊接在回轉底盤上。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)。雙層防護罩殼分層處用搭扣進行鎖緊，打開搭扣，即打開下層罩殼，可用于對外齒圈進行人工涂油維護，也可對外圈204個M80的大螺栓用拉伸器進行預緊；扣緊搭扣即關閉罩殼時，也可觀察外齒圈的運行情況。

圖4 防護罩殼的支架結構

單層防護罩殼安裝在回轉機構下方，回轉小齒輪的外側，罩殼的支架焊接在回轉機構支架的下方。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，結構和雙層防護罩殼類似。與雙層防護罩殼不同的是，單層罩殼不用搭扣連接，因為此側安裝了6個回轉機構，致使底盤過道變窄，加上此處的回轉小齒輪也不用經(jīng)常維護，如果再用雙層防護罩殼，操作空間將非常有限。如需要拆卸此處罩殼時，只需拆卸下緊固件即可。

4 結語

海上風力發(fā)電在我國屬于新興產(chǎn)業(yè)，按照規(guī)劃到2020年，我國海上風電總裝機容量應達到3 000萬kW。風電安裝船在風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮著重要的角色，更大噸位的風電安裝起重機也會應運而生，大型的分段式軸承將廣泛應用于起重機上。這種新型防護罩殼已在龍源振華2 000 t風電安裝起重船上成功運用，為今后研發(fā)設計海工裝備提供了一個很好的參考。