回转支撑轴承防护罩壳的设计

陆 凯 赵 瑛 李朝阳

上海振华重工(集团)股份有限公司

1 引言

海上风电安装船是一种新型的海洋工程船，是可用来进行海上风机、基础运输及安装施工的海上风电施工平台[1]。目前，世界上最大的风电安装船是龙源振华3号，配备龙源振华2 000 t风电安装起重机，属于全回转式起重机，其回转轴承为剖分式三排圆柱滚子组合转盘轴承，外径为12.38 m，是当前国内最大的回转支撑轴承，也是国内首创的分段式回转支撑轴承(见图1)，承载能力达到80 000 tm[2]。

图1 分段式回转支撑轴承

与整体轴承不同，分段式轴承的分段处必须做防水、防尘和防盐雾的处理，以避免内部滚子锈蚀并保持内部清洁干净，延长轴承寿命。这就需要一种重量轻、易观察、易操作、易维护的防护罩壳，来保护轴承不受外部环境影响[3]。

2 材料选择

由于传统的整体轴承不需要用到防护罩壳，在选择防护罩壳的材料和形式上缺少可借鉴的案例，只能通过对各种材料的对比来确定。从材料的密度、使用温度、透光度等因素考虑，玻璃钢、PVC板、玻璃、有机玻璃等材料都在备选范围中，经过对这些材料的分析和比较，最终确定了PC板为最理想的防护罩壳材料。表1是以6 mm的板材作为测试数据，对不同材料的性能进行对比的数据。

从表1中可以看出，FRP(玻璃钢)的密度适中，热稳定性较好，表面硬度较高，耐腐蚀能力好，是良好的绝缘材质，但透光性差，材质可燃，抗拉强度一般，表面维护保养较麻烦。

PVC板的密度较小，抗紫外线能力强，不易老化，热稳定性好，硬PVC的表面强度高，耐腐蚀能力好，是良好的绝缘材质；但是使用连续温度较低，透光性差，材质可燃，抗拉强度一般，表面维护保养较麻烦。

表1 不同材料的性能对比

玻璃的连续使用温度较高，透光率很好，属于不燃材质，表面硬度较高，维护保养比较容易，耐腐蚀能力好，是良好的绝缘材质；但是玻璃的密度大，单位体积重量就大，抗紫外线能力差，易老化，热稳定性差，急冷急热易发生炸裂，抗拉强度较低，是脆性材料。

有机玻璃的密度较小，透光率很好，维护保养比较容易，耐腐蚀能力好；但是材料可燃，表面硬度低，抗拉强度较低。

PC板的密度较小，单位体积重量轻，透光性很好，抗紫外线能力强，不易老化，材料难燃，热稳定性好，抗拉强度好，表面维护保养较容易，耐腐蚀能力较好，是良好的绝缘材质；但是表面硬度较差。

本项目防护罩壳材料的要求是重量轻、易观察、易维护，能防水、防尘、防盐雾，可抵抗海上风浪、阳光暴晒、台风等影响。纵观以上材料，PC板很好地符合了这些要求，是海上风电安装起重机回转轴承防护罩壳最理想的材料。本项目用的是PC耐力板，PC耐力板的基本参数和透光率见表2和表3。

表2 PC耐力板的基本参数

表3 PC耐力板的透光率

风电安装起重机一般在海上作业，复杂的海况难免会使起重机受到不同程度的冲击，PC板的抗冲击力最大可达907 J/m，是普通玻璃的200倍，比亚克力板强8倍，几乎没有断裂的危险性。PC板的采光性极佳，80～99%的高透光率可与玻璃相媲美，有“透明钢板”的美誉之称，这就使得从起重机外部观察内部部件运行情况变得非常方便。但是PC板的密度仅为1.2 g/cm3，重量轻又坚固耐用，对于有严格限重要求的海工项目，轻量化设计是首要的目标。PC板本身不自燃，且具有自熄性，在零下30℃～130℃的测试范围内，不会引起板材变形等品质变化。PC板表面的UV剂具有吸收紫外线的功能，并转化为可见光，户外可保证十年不褪色，这也保证了起重机的美观性。

3 结构设计

考虑到起重机的分段式回转支撑轴承不仅要求防水防尘防盐雾，而且还要经常对外齿圈进行人工涂油维护；其次，轴承直径约为13 m，内部有204个M80的大螺栓要经常性用拉伸器进行预紧，要求防护罩壳的结构设计要易于进行维护。螺栓和搭扣结合的形式很好地解决了以上问题。打开搭扣门，就可以从外部清楚地看到内部齿轮的啮合情况，还能方便地进行涂油维护。

龙源振华2 000 t风电安装起重机回转支撑轴承防护罩壳由支架、PC板、搭扣、合页以及紧固件组成。按照罩壳的结构形式，可以分为双层防护罩壳(见图2)和单层防护罩壳(见图3)。

图2 双层防护罩壳

图3 单层防护罩壳

双层防护罩壳安装在回转底盘和圆筒体之间，回转支撑轴承外侧，罩壳的支架焊接在回转底盘上。支架由L40的等边角钢和板厚为4 mm扁钢搭建而成，支架底部用10 mm橡胶和2 mm厚的不锈钢作为封板，用M6的螺栓做连接，密封性极佳(见图4)。双层防护罩壳分层处用搭扣进行锁紧，打开搭扣，即打开下层罩壳，可用于对外齿圈进行人工涂油维护，也可对外圈204个M80的大螺栓用拉伸器进行预紧；扣紧搭扣即关闭罩壳时，也可观察外齿圈的运行情况。

图4 防护罩壳的支架结构

单层防护罩壳安装在回转机构下方，回转小齿轮的外侧，罩壳的支架焊接在回转机构支架的下方。支架也是由L40的等边角钢和板厚为4 mm扁钢搭建而成，支架底部用10 mm橡胶和2 mm厚的不锈钢作为封板，用M6的螺栓做连接，结构和双层防护罩壳类似。与双层防护罩壳不同的是，单层罩壳不用搭扣连接，因为此侧安装了6个回转机构，致使底盘过道变窄，加上此处的回转小齿轮也不用经常维护，如果再用双层防护罩壳，操作空间将非常有限。如需要拆卸此处罩壳时，只需拆卸下紧固件即可。

4 结语

海上风力发电在我国属于新兴产业，按照规划到2020年，我国海上风电总装机容量应达到3 000万kW。风电安装船在风电产业的发展中发挥着重要的角色，更大吨位的风电安装起重机也会应运而生，大型的分段式轴承将广泛应用于起重机上。这种新型防护罩壳已在龙源振华2 000 t风电安装起重船上成功运用，为今后研发设计海工装备提供了一个很好的参考。