甲板克令吊转盘轴承概述_许正根.pdf

甲板克令吊转盘轴承概述许正根摘要：针对甲板克令吊轴承因载荷及环境工况特殊而对设计要求较高的情况，充分分析了甲板克令吊轴承的结构类型及受力特点，对甲板克令吊单排四点接触球轴承、双排接触球轴承及三排圆柱滚子轴承的主参数设计进行了详细介绍；并对轴承材料选择及技术要求、密封结构及技术要求和安全系数设计进行了详细的说明，对甲板克令吊轴承的设计具有重要的借鉴意义。关键词：甲板克令吊；转盘轴承；设计中图分类号：U667 文献标识码：B 文章编码：1672-4852（2023）02-0003-03Overview of Marine Crane Slewing Bearing收稿日期：作者简介：2022-11-29许正根（1970），男，工程师，主要研究方向为轴承的设计、制造及应用技术。XU Zhenggen(China Railway Construction Heavy Industry Group Co.,Ltd.,Changsha 410100,China)Abstract:In view of the high design requirements of marine crane bearing under special load and environmental conditions,the structural type and loading characteristic of marine crane bearing are fully analyzed.The main parameter design of marine crane single row four point contact ball slewing bearing,double row different diameter ball slewing bearing and three row roller slewing bearing are introduced in detail.In addition,the material selection and technical requirement,seal structure and technical requirement as well as safety factor design are described,which have important reference significance for the design of marine crane bearing.Key words:marine crane;slewing bearing;design（中国铁建重工集团股份有限公司，长沙 410100）甲板克令吊一般指甲板起重机，又称“船用起重机”，是船上的一种大型甲板机械，是一种船舶装卸货物的设备，参见图 1。一般情况下，由吊臂及其起升、变幅、旋转机构和操纵室等组成，集中安装在一个塔架里，而该塔架可绕其基座 360旋转，有电动和液压驱动两种动力源类型。主要配套在 27 万吨级的大型散货船中，以其结构紧凑、操作方便、起重量大、动作迅速快捷、使用效率高、维修方便等一系列特点，在现代船舶甲板机械中占有重要地位。通过近二十年的国外技术引进和消化，目前甲板克令吊在国内已形成了系列化生产，除普通克令吊外，瘦身型克令吊、双起吊型克令吊、软管吊型克令吊设备也已系列化生产。克令吊轴承是克令吊部件之间做相对回转运动，又同时承受轴向载荷、径向载荷、倾覆力矩的机械所必需的重要传动部件1-2。文中作者结合第 44 卷第 2 期2 0 2 3 年 6 月Vol.44 No.2Jun.2 02 3哈 尔 滨 轴 承JOURNAL OF HARBIN BEARING多年的设计、制造技术经验，通过对克令吊轴承结构类型、克令吊轴承各部分的材料选择及技术要求，以及各类型克令吊轴承设计要点进行分析研究，提出了克令吊轴承内部主参数设计计算的方法，并按类型进行了详细介绍3-5。最后，根据克令吊轴承现场工况，合理设计克令吊轴承的密封结构并恰当选择密封件材料。图 1 船用克令吊41 甲板克令吊轴承的结构类型及受 力特点1.1 安装部位船用克令吊主要由旋转塔身，吊臂，焊接于甲板上的固定基柱，起升、俯仰及回转机构，液压动力及管路系统，电器控制系统等部分组成。船用克令吊转盘轴承安装在吊车塔身底部，内圈下端面与焊接在船甲板上的固定基柱通过螺栓连接，外圈上端面与吊车塔身通过螺栓连接。船用克令吊工作时，通过回转机构驱动回转小齿轮与转盘轴承内齿圈啮合，实现外圈旋转，从而实现船用吊车的正常回转。1.2 受力特点克令吊轴承绝大多数是在偏心载荷下工作，因此除承受轴向载荷、径向载荷外，还必须克服倾覆力矩的作用。克令吊轴承内外圈滚道和滚动体在很高的接触应力作用下进行相对滚动运动，一般接触应力在 1 0004 000 MPa 之间。同时，滚动体和滚道之间还不可避免地存在着少量滑动摩擦，滚动体和保持架之间也存在着摩擦。克令吊转盘轴承用于支承船用吊车和传递扭矩，主要承受轴向力与倾覆力矩。为使主机紧凑，轴承直径和高度与正常产品相比要小很多。通常克令吊不设置配重，故其承受的倾覆力矩很大。1.3 结构类型目前最常用的结构为单排四点接触球轴承、双排异径球轴承和三排圆柱滚子轴承三种类型。根据承载能力的不同，三排圆柱滚子转盘轴承一般用于重型起重机，单排四点接触球和双排异径球转盘轴承一般用于轻型起重机。图 2 至图 4 为甲板克令吊轴承常用的三种结构类型。2 甲板克令吊轴承的主参数设计2.1 单排四点接触球轴承图 2 单排四点接触球轴承结构示意图图 3 双排异径球轴承结构示意图图 4 三排圆柱滚子轴承结构示意图2.1.1 钢球直径计算 Dw （1）式中：H 为轴承外圈宽度。2.1.2 钢球中心圆直径计算 DPw （2）式中：D1为轴承外圈安装孔中心径，1为外圈安装孔直径。2.1.3 钢球个数计算 Z （3）2.1.4 内、外套圈沟曲率计算 R1、R2 （4）（5）甲板克令吊轴承工作情况比较恶劣，属于重载工况。在设计沟曲率时，采用高密度重合法，提高密合度，以提高轴承承载能力，目前在设计中一般取 R1=R2。2.1.5 沟道接触角计算 =45 （6）在设计中，内、外套圈沟道取相同的接触角。2.2 双排接触球轴承2.2.1 钢球直径计算 DW1（主推力）、DW2（反推力）（7）（8）式中：H 为轴承两外圈组合宽度。2.2.2 钢球中心圆直径计算 DPW1（主推力）、(0.43 0.48)wDH=11(20 30)pwwDDD=(1.11.15)pwZD=1(0.52 0.53)wRD=2(0.52 0.53)wRD=1(0.25 0.28)wDH=2(0.22 0.24)wDH=哈 尔 滨 轴 承第 44 卷5DPW2（反推力）（9）（10）式中：D1 为轴承两外圈安装孔中心径，d1 为内圈安装孔中心径。2.2.3 钢球个数计算 Z1（主推力）、Z2（反推力）（11）（12）2.2.4 内、外套圈沟曲率计算 R1（主推力）、R2、（反推力）（13）（14）2.2.5 沟道接触角计算 1（主推力）、2（反推力）（15）（16）甲板克令吊轴承在工作时倾覆力矩很大、工况恶劣，在设计主推力内、外套圈沟道接触角时一般取 90，远远大于其他工程机械轴承设计的接触角值，反推力套圈沟道接触角设计取值一般在 60 90之间。2.3 三排圆柱滚子轴承2.3.1 滚子直径计算 DW1（主推力）、DW2（反推力）、DW3（径向）（17）（18）（19）式中：H 为轴承两外圈组合宽度。甲板克令吊轴承选择三排圆柱滚子结构时，一般都是应用于重载起重机上，工作时倾覆力矩很大，工况恶劣。在设计主推力及反推力滚子直径时，按照图 4 的设计结构 DW1 和 DW2 取相同的值。2.3.2 滚子中心圆直径计算 DPW1（主推力）、DPW2（反推力）、DPW3（径向）（20）（21）（22）式中：D1 为轴承两外圈安装孔中心径，1 为外圈安装孔直径。2.3.3 滚子个数计算 Z1（主推力）、Z2（反推力）、Z3（径向）1110.5()pwDDd=+2112pwpwwwDDDD=+11(1.11.15)pwZD=22(1.11.15)pwZD=11(0.51 0.52)wRD=22(0.51 0.52)wRD=190a=260 90a=1(0.14 0.16)wDH=2(0.14 0.16)wDH=3(0.06 0.1)wDH=1110.5()pwDDd=+2120.5pwpwwDDD=[phone])pwwDDD=（23）（24）（25）3 甲板克令吊轴承材料选择及技术 要求材料质量水平是轴承质量可靠性的基础，为了使轴承获得长寿命、持久的高精度和低摩擦，制造轴承套圈和滚动体的材料必须具有以下特点：接触疲劳强度高、硬度高、耐磨性好、组织稳定性好、纯净度高、加工性能好等等。甲板克令吊轴承工作环境恶劣，对材料的选择很严格。目前，国内外轴承生产厂家都选择优质合金结构钢 42CrMo 作为套圈的材料，套圈做调质处理，硬度为 260290 HB；力学性能还要满足以下条件：在-20 时，钢的夏比冲击试验（V形缺口）中三次冲击功的平均值大于 42 J，其中单个试样的测值应不低于 27 J。轴承钢球和滚子所用材料和其他转盘轴承类似，为轴承钢常用材料。4 甲板克令吊轴承密封结构及技术 要求甲板克令吊轴承随着船只在海洋中移动，会受到海水、盐雾等有害物质的浸蚀。为防止外物入侵轴承滚道内部，造成轴承滚道早期失效，影响使用寿命，这种类型轴承应采用特殊密封结构设计。密封结构如下图 5 所示。11(1.2 1.25)pwZD=22(1.2 1.25)pwZD=33(1.11.2)pwZD=图 5 密封结构示意图第 2 期许正根：甲板克令吊转盘轴承概述（下转第 14 页）14度、淬回火组织均合格，没有出现因相互接触、加热冷却不足等造成的不合格现象。5 结束语利用轴承滚子限位装载架，可以对滚子进行定量热处理加工，可以确保每个装载架的总重量，从而保证热处理工艺的稳定性。能够做到每一粒滚子在加热炉中受热均匀、在淬火槽内冷却均匀，进而保证了滚子的外观质量，使得轴承滚子能够满足热处理后的质量要求，确保提高轴承的整体质量水平。不同的热处理炉型使用的限位装载架的尺寸不同，加之滚子尺寸规格较多，可根据以上方法设计出不同的滚子限位装载架来满足热处理生产的需求。参考文献：1 王广生.金属热处理缺陷分析及案例M.北京:机械工业出版社,2007.2 滚动轴承 圆柱滚子:GB/T46612002S.3 滚动轴承 高碳铬轴承钢零件 热处理技术条件:GB/T348912017S.（编辑：李继霞）哈 尔 滨 轴 承第 44 卷表 1 密封圈检验要求检测项目技术指标耐防锈油质量变化率 100 72 h 5%耐润滑脂质量变化率 100 1%抗撕裂性良回弹性良耐低温性（-40 1 h 冲击）不碎裂最高使用温度 120 不变硬耐候性，拉伸 20%，63 300 h（或 600 h）无龟裂耐臭氧性，50 pphm，拉伸 20%，40 72 h无龟裂注：耐候性用气候试验机（仪）时阳光型碳弧灯试验时间为 300 h，若用紫外型碳弧灯时间为 600 h。5 安全系数设计甲板克令吊轴承由于长期随船只在海上航行工作，一旦损坏维修难度大，所以安全系数要求高。中国船级社船舶与海上设施起重设备规范要求：回转支承按静载荷设计的强度安全系数应不低于 2.5，按疲劳载荷设计的安全系数应不低于 1.5。根据有关文献和专业技术资料，可以对上述安全系数进行计算，本文在这里就不再赘述。6 结束语甲板克令吊轴承是转盘轴承中应用领域比较特殊的一类轴承，其承受的倾覆力矩大，使用工况恶劣，容易受到海上盐雾的浸蚀，因此对轴承可靠性要求非常高。甲板克令吊轴承内部主参数的设计和通用转盘轴承有很大不同：套圈的材料力学性能要求特殊；密封结构要求可靠性高，密封结构较为特殊故对密封材料的技术性能要求也较高。笔者所在技术团队通过多年的技术积累，相继自主研发设计了多种类型的、相当数量的甲板克令吊转盘轴承，经国内外多家主机客户使用验证，产品性能及可靠性均满足要求。参考文献:1 徐立民,陈卓.回转支承M.北京:机械工业出版社,1985.2 周琳,谢兴会,陈蓓.船用吊车用转盘轴承的选型与设计J.轴承,2009(10):8-10.3 苏立樾,贺向阳.转盘轴承的选型计算J.轴承,2003(04):6-9.4 胡进明.单排球式回转支承的设计与计算J.工程机械,1988(10):20-23+52+54.5 姚海,马志鹏,隋振华,等.大型全回转起重机新型回转支承结构的优化设计J.船舶工程,2016,38(S1):94-97+123.（编辑：李继霞）这种密封结构装配时，用不锈钢丝紧固在内圈上能有效防止外物的侵入，也便于更换，可靠性很高。密封材料选择丁腈橡胶，密封材料有严格的技术指标要求，见表 1。（上接第 5 页）