許正根

（中國鐵建重工集團股份有限公司，長沙 410100）

甲板克令吊一般指甲板起重機，又稱“船用起重機”，是船上的一種大型甲板機械，是一種船舶裝卸貨物的設(shè)備，參見圖1。一般情況下，由吊臂及其起升、變幅、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和操縱室等組成，集中安裝在一個塔架里，而該塔架可繞其基座360°旋轉(zhuǎn)，有電動和液壓驅(qū)動兩種動力源類型。主要配套在2～7萬噸級的大型散貨船中，以其結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、起重量大、動作迅速快捷、使用效率高、維修方便等一系列特點，在現(xiàn)代船舶甲板機械中占有重要地位。通過近二十年的國外技術(shù)引進和消化，目前甲板克令吊在國內(nèi)已形成了系列化生產(chǎn)，除普通克令吊外，瘦身型克令吊、雙起吊型克令吊、軟管吊型克令吊設(shè)備也已系列化生產(chǎn)。

圖1 船用克令吊

克令吊軸承是克令吊部件之間做相對回轉(zhuǎn)運動，又同時承受軸向載荷、徑向載荷、傾覆力矩的機械所必需的重要傳動部件[1-2]。文中作者結(jié)合多年的設(shè)計、制造技術(shù)經(jīng)驗，通過對克令吊軸承結(jié)構(gòu)類型、克令吊軸承各部分的材料選擇及技術(shù)要求，以及各類型克令吊軸承設(shè)計要點進行分析研究，提出了克令吊軸承內(nèi)部主參數(shù)設(shè)計計算的方法，并按類型進行了詳細介紹[3-5]。最后，根據(jù)克令吊軸承現(xiàn)場工況，合理設(shè)計克令吊軸承的密封結(jié)構(gòu)并恰當(dāng)選擇密封件材料。

1 甲板克令吊軸承的結(jié)構(gòu)類型及受力特點

1.1 安裝部位

船用克令吊主要由旋轉(zhuǎn)塔身，吊臂，焊接于甲板上的固定基柱，起升、俯仰及回轉(zhuǎn)機構(gòu)，液壓動力及管路系統(tǒng)，電器控制系統(tǒng)等部分組成。船用克令吊轉(zhuǎn)盤軸承安裝在吊車塔身底部，內(nèi)圈下端面與焊接在船甲板上的固定基柱通過螺栓連接，外圈上端面與吊車塔身通過螺栓連接。船用克令吊工作時，通過回轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動回轉(zhuǎn)小齒輪與轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)齒圈嚙合，實現(xiàn)外圈旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)船用吊車的正?；剞D(zhuǎn)。

1.2 受力特點

克令吊軸承絕大多數(shù)是在偏心載荷下工作，因此除承受軸向載荷、徑向載荷外，還必須克服傾覆力矩的作用。克令吊軸承內(nèi)外圈滾道和滾動體在很高的接觸應(yīng)力作用下進行相對滾動運動，一般接觸應(yīng)力在1000～4000MPa之間。同時，滾動體和滾道之間還不可避免地存在著少量滑動摩擦，滾動體和保持架之間也存在著摩擦。

克令吊轉(zhuǎn)盤軸承用于支承船用吊車和傳遞扭矩，主要承受軸向力與傾覆力矩。為使主機緊湊，軸承直徑和高度與正常產(chǎn)品相比要小很多。通常克令吊不設(shè)置配重，故其承受的傾覆力矩很大。

1.3 結(jié)構(gòu)類型

目前最常用的結(jié)構(gòu)為單排四點接觸球軸承、雙排異徑球軸承和三排圓柱滾子軸承三種類型。根據(jù)承載能力的不同，三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承一般用于重型起重機，單排四點接觸球和雙排異徑球轉(zhuǎn)盤軸承一般用于輕型起重機。圖2至圖4為甲板克令吊軸承常用的三種結(jié)構(gòu)類型。

圖2 單排四點接觸球軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 雙排異徑球軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 三排圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)示意圖

2 甲板克令吊軸承的主參數(shù)設(shè)計

2.1 單排四點接觸球軸承

2.1.1 鋼球直徑計算Dw

式中：H為軸承外圈寬度。

2.1.2 鋼球中心圓直徑計算DPw

式中：D1為軸承外圈安裝孔中心徑，φ1為外圈安裝孔直徑。

2.1.3 鋼球個數(shù)計算Z

2.1.4 內(nèi)、外套圈溝曲率計算R1、R2

甲板克令吊軸承工作情況比較惡劣，屬于重載工況。在設(shè)計溝曲率時，采用高密度重合法，提高密合度，以提高軸承承載能力，目前在設(shè)計中一般取R1=R2。

2.1.5 溝道接觸角計算α

在設(shè)計中，內(nèi)、外套圈溝道取相同的接觸角。

2.2 雙排接觸球軸承

2.2.1 鋼球直徑計算DW1（主推力）、DW2（反推力）

式中：H為軸承兩外圈組合寬度。

2.2.2 鋼球中心圓直徑計算DPW1（主推力）、DPW2（反推力）

式中：D1為軸承兩外圈安裝孔中心徑，d1為內(nèi)圈安裝孔中心徑。

2.2.3 鋼球個數(shù)計算Z1（主推力）、Z2（反推力）

2.2.4 內(nèi)、外套圈溝曲率計算R1（主推力）、R2、（反推力）

2.2.5 溝道接觸角計算α1（主推力）、α2（反推力）

甲板克令吊軸承在工作時傾覆力矩很大、工況惡劣，在設(shè)計主推力內(nèi)、外套圈溝道接觸角時一般取90°，遠遠大于其他工程機械軸承設(shè)計的接觸角值，反推力套圈溝道接觸角設(shè)計取值一般在60°～90°之間。

2.3 三排圓柱滾子軸承

2.3.1 滾子直徑計算DW1（主推力）、DW2（反推力）、DW3（徑向）

式中：H為軸承兩外圈組合寬度。

甲板克令吊軸承選擇三排圓柱滾子結(jié)構(gòu)時，一般都是應(yīng)用于重載起重機上，工作時傾覆力矩很大，工況惡劣。在設(shè)計主推力及反推力滾子直徑時，按照圖4的設(shè)計結(jié)構(gòu)DW1和DW2取相同的值。

2.3.2 滾子中心圓直徑計算DPW1（主推力）、DPW2（反推力）、DPW3（徑向）

式中：D1為軸承兩外圈安裝孔中心徑，φ1為外圈安裝孔直徑。

2.3.3 滾子個數(shù)計算Z1（主推力）、Z2（反推力）、Z3（徑向）

3 甲板克令吊軸承材料選擇及技術(shù)要求

材料質(zhì)量水平是軸承質(zhì)量可靠性的基礎(chǔ)，為了使軸承獲得長壽命、持久的高精度和低摩擦，制造軸承套圈和滾動體的材料必須具有以下特點：接觸疲勞強度高、硬度高、耐磨性好、組織穩(wěn)定性好、純凈度高、加工性能好等等。

甲板克令吊軸承工作環(huán)境惡劣，對材料的選擇很嚴(yán)格。目前，國內(nèi)外軸承生產(chǎn)廠家都選擇優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo作為套圈的材料，套圈做調(diào)質(zhì)處理，硬度為260～290HB；力學(xué)性能還要滿足以下條件：在-20℃時，鋼的夏比沖擊試驗（V形缺口）中三次沖擊功的平均值大于42 J，其中單個試樣的測值應(yīng)不低于27J。軸承鋼球和滾子所用材料和其他轉(zhuǎn)盤軸承類似，為軸承鋼常用材料。

4 甲板克令吊軸承密封結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

甲板克令吊軸承隨著船只在海洋中移動，會受到海水、鹽霧等有害物質(zhì)的浸蝕。為防止外物入侵軸承滾道內(nèi)部，造成軸承滾道早期失效，影響使用壽命，這種類型軸承應(yīng)采用特殊密封結(jié)構(gòu)設(shè)計。密封結(jié)構(gòu)如下圖5所示。

圖5 密封結(jié)構(gòu)示意圖

這種密封結(jié)構(gòu)裝配時，用不銹鋼絲緊固在內(nèi)圈上能有效防止外物的侵入，也便于更換，可靠性很高。密封材料選擇丁腈橡膠，密封材料有嚴(yán)格的技術(shù)指標(biāo)要求，見表1。

表1 密封圈檢驗要求

5 安全系數(shù)設(shè)計

甲板克令吊軸承由于長期隨船只在海上航行工作，一旦損壞維修難度大，所以安全系數(shù)要求高。中國船級社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》要求：回轉(zhuǎn)支承按靜載荷設(shè)計的強度安全系數(shù)應(yīng)不低于2.5，按疲勞載荷設(shè)計的安全系數(shù)應(yīng)不低于1.5。根據(jù)有關(guān)文獻和專業(yè)技術(shù)資料，可以對上述安全系數(shù)進行計算，本文在這里就不再贅述。

6 結(jié)束語

甲板克令吊軸承是轉(zhuǎn)盤軸承中應(yīng)用領(lǐng)域比較特殊的一類軸承，其承受的傾覆力矩大，使用工況惡劣，容易受到海上鹽霧的浸蝕，因此對軸承可靠性要求非常高。甲板克令吊軸承內(nèi)部主參數(shù)的設(shè)計和通用轉(zhuǎn)盤軸承有很大不同：套圈的材料力學(xué)性能要求特殊；密封結(jié)構(gòu)要求可靠性高，密封結(jié)構(gòu)較為特殊故對密封材料的技術(shù)性能要求也較高。筆者所在技術(shù)團隊通過多年的技術(shù)積累，相繼自主研發(fā)設(shè)計了多種類型的、相當(dāng)數(shù)量的甲板克令吊轉(zhuǎn)盤軸承，經(jīng)國內(nèi)外多家主機客戶使用驗證，產(chǎn)品性能及可靠性均滿足要求。