滾盤式回轉(zhuǎn)支承在大型浮游起重機中的應(yīng)用

郝建光

(太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西030024)

滾盤式回轉(zhuǎn)支承在大型浮游起重機、門座起重機等設(shè)備中被廣泛采用，需要根據(jù)產(chǎn)品回轉(zhuǎn)部分的回轉(zhuǎn)特性、承載能力、抗傾覆要求確定尺寸，其功能與常用的回轉(zhuǎn)支承相同。受加工能力和運輸條件的限制，目前回轉(zhuǎn)支承最大外徑6.25 m。當(dāng)尺寸和受載更大時，無供貨廠家，所以大型浮游起重機的滾盤式回轉(zhuǎn)支承要自行設(shè)計，需要根據(jù)設(shè)備所受軸向載荷、徑向載荷、傾覆力矩以及結(jié)構(gòu)和整機要求進(jìn)行綜合考慮。滾盤式回轉(zhuǎn)支承，由于尺寸大，環(huán)形軌道需要現(xiàn)場拼裝和組焊，應(yīng)通過保證軌道平面度、橢圓度及軌下鋪設(shè)橡膠復(fù)合墊來保證滾輪受載。我公司制造的4000 t浮游起重機，由于起重量大、回轉(zhuǎn)上樁自重大、傾覆力矩大，采用滾盤式回轉(zhuǎn)支承，在結(jié)構(gòu)上與其他起重機有諸多不同，通過對其性能、特點及滾盤式回轉(zhuǎn)支承的介紹，實現(xiàn)對起升、變幅、回轉(zhuǎn)各機構(gòu)的無級調(diào)速，提高了運行的安全性和精確性。

1 4000 t浮游起重機的組成和主要技術(shù)參數(shù)

浮游起重機主要由船體及支承圓筒、滾盤式回轉(zhuǎn)支承及回轉(zhuǎn)機構(gòu)、轉(zhuǎn)臺總成、人字架系統(tǒng)、臂架系統(tǒng)、防后傾裝置、主鉤起升鋼絲繩系統(tǒng)、變幅鋼絲繩系統(tǒng)、副鉤起升鋼絲繩系統(tǒng)、小鉤起升鋼絲繩系統(tǒng)、扶梯總成、中心受電器、機器房、司機室及支架、臂架托架、2×2000 t吊鉤、1000 t吊鉤、280 t吊鉤、變幅機構(gòu)、主起升機構(gòu)、副起升機構(gòu)、小鉤起升機構(gòu)、索具鉤起升機構(gòu)、索具鉤、電控系統(tǒng)、液控系統(tǒng)等組成，4000 t浮游起重機結(jié)構(gòu)見圖1，臂立起時為工作狀態(tài)，水平時為放置狀態(tài)。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 4000 t浮游起重機主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of 4000 t floating crane

圖1 4000 t浮游起重機結(jié)構(gòu)Figure 1 Configuration of 4000 t floating crane

2 浮游起重機的作業(yè)工況和載荷特點

2.1 作業(yè)工況

浮游起重機與陸上起重機在使用場所、作業(yè)工況、載荷組合上都有所不同。按照船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范要求，浮游起重機無特殊工況要求時按標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)工況進(jìn)行設(shè)計。標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)工況如下：在船長小于4倍船寬條件下，起重設(shè)備工作時，船舶處于橫傾3°、縱傾2°；在港內(nèi)作業(yè)；工作時風(fēng)速不超過20 m/s，相應(yīng)風(fēng)壓不超過250 MPa；起重載荷不受外力制約；起重機作業(yè)頻次和動載荷性質(zhì)與規(guī)范規(guī)定一致；起重機工作時除了考慮常規(guī)起重機的動載、慣性力外，還要考慮由船舶傾斜產(chǎn)生的力；吊重非垂直吊運時，因吊重擺動產(chǎn)生的力；風(fēng)力與環(huán)境的影響；在放置狀態(tài)，要考慮受暴風(fēng)侵襲時的特殊載荷，風(fēng)速按55 m/s計算，考慮風(fēng)載荷橫向作用，計算風(fēng)壓為1854 N/m2。

2.2 載荷組合

浮游起重機主要考慮以下四種工況下的載荷組合：

(1)工作于無風(fēng)狀態(tài)：自重載荷；[起升載荷+船舶傾斜(橫傾與縱傾)所產(chǎn)生的起升載荷水平分力]×起升載荷系數(shù)ψ；由回轉(zhuǎn)加速度產(chǎn)生的最不利的水平力；由船舶傾斜(橫傾與縱傾)產(chǎn)生的自重載荷水平分力。

(2)工作于有風(fēng)狀態(tài)：工況(1)中所示的組合載荷加上最不利的風(fēng)載荷。

(3)起重機處于放置狀態(tài)：船舶傾斜、船舶運動所產(chǎn)生的力和風(fēng)的作用力；有錨定、鎖緊、捆扎時，也要考慮相應(yīng)載荷。

(4)起重機承受特殊載荷：碰撞緩沖器的作用力；起升鋼絲繩破斷；起重機的試驗載荷。

2.3 抗傾覆穩(wěn)定性計算時載荷系數(shù)的取值

抗傾覆穩(wěn)定性計算也要校核前述4種工況，工作狀態(tài)所取的起升載荷系數(shù)ψ在1.15～1.2范圍，而抗傾覆穩(wěn)定性4種工況的載荷應(yīng)分別乘以表2中規(guī)定的載荷系數(shù)。

表2 4種工況的載荷系數(shù)Table 2 Loading coefficients of 4 working statuses

由表2可知，抗傾覆穩(wěn)定性計算所取的載荷系數(shù)比工作狀態(tài)大，需要按上述系數(shù)計算傾覆力矩，對反滾輪進(jìn)行校核計算，保證設(shè)備穩(wěn)定性。

3 滾盤式回轉(zhuǎn)支承及回轉(zhuǎn)機構(gòu)的組成和參數(shù)

回轉(zhuǎn)機構(gòu)采用電機驅(qū)動，通過電動機、制動器、減速器、小齒輪和銷輪傳動形式帶動轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)。銷齒傳動是一種特殊形式的齒輪傳動，由銷輪和減速器輸出軸上的小齒輪組成，采用內(nèi)嚙合。銷輪的輪齒是圓柱銷，與常規(guī)齒輪相比，結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、造價低、拆修方便，在代替大尺寸漸開線齒輪時，具有顯著的優(yōu)越性，適合在低速、重載、粉塵多、潤滑差的回轉(zhuǎn)機構(gòu)中使用。滾盤式回轉(zhuǎn)支承是保證銷齒傳動嚙合間隙均勻，滾輪受載和整機抗傾覆滿足規(guī)范要求的關(guān)鍵件。

3.1 滾盤式回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)

滾盤式回轉(zhuǎn)支承由中心定位、內(nèi)/外支承滾盤和反鉤滾裝置三部分組成。通過支承圓筒上的中央樞軸與轉(zhuǎn)臺下部套筒的接合，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺與支承圓筒同心，由樞軸內(nèi)部的中心受電器將電源由下部引到轉(zhuǎn)臺，通過內(nèi)、外滾盤和反鉤滾承受垂直載荷和傾覆力矩。在支承圓筒上平面和轉(zhuǎn)臺下平面設(shè)內(nèi)、外滾道，內(nèi)滾道中徑27 050 mm、滾輪240件；外滾道中徑29 400 mm、滾輪264件，轉(zhuǎn)臺四角的反鉤架上設(shè)反鉤輥，滾道中徑30 300 mm；滾輪外徑500 mm，軌道寬度360 mm，踏面寬400 mm，單側(cè)間隙20 mm；軌道底部鋪設(shè)橡膠復(fù)合襯墊，減小轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的振動和沖擊。支承轉(zhuǎn)臺的滾輪數(shù)：外滾道上156件，內(nèi)滾道上160件。

3.2 滾輪式回轉(zhuǎn)支承中滾輪強度計算

滾輪采用整體調(diào)質(zhì)、踏面和輪緣表面淬火來提高承載能力和使用壽命，表面硬度取500HBW。

滾道采用高強度鋼板或鍛件制作，與滾輪為線接觸。要用滾輪的疲勞計算輪壓和最大工作輪壓，進(jìn)行疲勞和強度計算。該機滾輪最大工作輪壓P計max=93 t，滾輪疲勞計算輪壓按最大工作輪壓的75%計算，疲勞計算輪壓為P計=70 t，滾輪疲勞應(yīng)力計算為：

=5526 kg/cm2≤[σ線]

[σ線]=11300 kg/cm2

線接觸進(jìn)行計算強度為：

=6370 kg/cm2≤[σ線]max

[σ線]max=17000 kg/cm2

式中，b為滾輪與軌道的接觸長度，b=33 cm；D為滾輪直徑，D=50 cm；P計max為滾輪最大工作輪壓，P計max=93 t；P計為滾輪疲勞計算輪壓，P計=70 t；σ線疲勞為線接觸疲勞應(yīng)力，單位kg/cm2；σ線max為線接觸最大應(yīng)力，單位kg/cm2；[σ線]為線接觸疲勞許用應(yīng)力；[σ線]max為線接觸許用應(yīng)力。滾輪許用接觸應(yīng)力與硬度的關(guān)系見表3。

表3 滾輪許用接觸應(yīng)力與硬度的關(guān)系Table 3 Relationship of allowable contact stress and hardness of rolling wheel

計算結(jié)果表明，回轉(zhuǎn)支承的滾輪同時滿足按疲勞載荷計算安全系數(shù)不低于1.5，按強度計算安全系數(shù)不低于2.5的規(guī)范要求。

3.3 回轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動功率

回轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動功率必須滿足最不利工況下正常運行?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)需要克服的最大阻力矩為臂架和吊重上作用最大工作風(fēng)壓產(chǎn)生最大風(fēng)阻力矩、吊最大回轉(zhuǎn)荷重在最大回轉(zhuǎn)加速度下產(chǎn)生最大摩擦和慣性阻力矩、在橫傾3°時產(chǎn)生最大坡度阻力矩三項之和。按上述工況最大阻力矩選擇電機，能滿足使用?；剞D(zhuǎn)電機所需的驅(qū)動力矩為：

回轉(zhuǎn)機構(gòu)單臺電機所需功率為：

式中，MZmax為回轉(zhuǎn)機構(gòu)最大阻力矩，MZmax=155.523MN·m；Md為回轉(zhuǎn)機構(gòu)電機所需驅(qū)動力矩，單位N·m；n為電動機額定轉(zhuǎn)速，n=1000 r/min；i為回轉(zhuǎn)機構(gòu)總速比，i=6250；η為回轉(zhuǎn)機構(gòu)效率，η=0.85；z為回轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動電動機的數(shù)量，z=8；Pd為單臺電機功率，單位kW。

所以回轉(zhuǎn)機構(gòu)選擇8臺400 kW、額定轉(zhuǎn)速1000 r/min的變頻電機驅(qū)動。

4 浮游起重機的結(jié)構(gòu)特點及控制技術(shù)

浮游起重機由船體與起重機兩部分構(gòu)成，起重機基座通過船體主甲板伸入船體與船體構(gòu)成一個整體。在基座與船體梁結(jié)構(gòu)之間通過擴(kuò)大、增厚、加筋等方式實現(xiàn)過渡，將水平面內(nèi)各個方向的載荷有效傳遞到支撐結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)應(yīng)力傳遞，達(dá)到降低應(yīng)力，避免應(yīng)力集中的目的；在基座與甲板交匯處1 m的局部范圍內(nèi)采用Z向鋼材，保證結(jié)構(gòu)受載要求；起升、變幅機構(gòu)采用多層纏繞雙折線卷筒，設(shè)安全制動器提高臂架變幅機構(gòu)和各起升機構(gòu)的可靠性；回轉(zhuǎn)機構(gòu)采用滾盤式回轉(zhuǎn)支承和銷輪傳動形式；整機采用PLC控制系統(tǒng)和變頻調(diào)速技術(shù)，實現(xiàn)對起升、變幅、回轉(zhuǎn)各機構(gòu)的無級調(diào)速，提高運行的安全性和精確性。