大型浮吊船三重公差配合的大型軸承更換工藝

吳明哲，李艮田

（上海打撈局 救撈工程船隊(duì)，上海 200090）

0 引言

某輪屬于海工動(dòng)力定位浮吊船，吊重能力為3 000 t，主吊機(jī)產(chǎn)自國民油井華高（NATIONAL OILWELL VARCO，NOV)，型號為 Model 66，2010年出廠。

1 吊機(jī)設(shè)計(jì)

該吊機(jī)設(shè)計(jì)為尾部2組臺車，每部臺車2個(gè)滾輪；首部2組臺車，每組3個(gè)滾輪，且每個(gè)滾輪含內(nèi)外2個(gè)軸承，臺車滾輪沿旋轉(zhuǎn)軌道行走，臺車布置如圖1所示。

圖1 吊機(jī)臺車布置簡圖

NOV采用臺車形式的行走，大大減輕了吊機(jī)的整體重量，可使其高速平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度約3.14 r/min。對起吊能力為 3 000 t的大型浮吊來說，這樣的旋轉(zhuǎn)速度相當(dāng)可觀。但其缺陷也很明顯：安裝精度難以控制、可靠性差。吊機(jī)的垂向負(fù)載由安裝在直徑20 m的筒體四個(gè)角的4組臺車承擔(dān)。水平負(fù)載由設(shè)置在吊機(jī)中心的中心銷承擔(dān)。尾部臺車分左右2組，每組4個(gè)滾輪；首部臺車也分為左右 2組，每組 6個(gè)滾輪；從受力的角度來分析，空鉤時(shí)吊機(jī)旋轉(zhuǎn)部分重量為4 058 t，臂架角度與首尾部臺車受力見表1。

表1 臂架角度與首尾部臺車受力分析表（1t≈10 000 N）

從臺車軸承受力分析來看，受力最大的工況仍是首部臺車。故在設(shè)計(jì)時(shí)首部臺車的數(shù)量（12個(gè)）大于尾部臺車的數(shù)量（8個(gè)）。但首部臺車在吊重較小或沒有吊重時(shí)，受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于尾部臺車。故障率也是尾部臺車遠(yuǎn)高于首部臺車，因?yàn)榈鯔C(jī)有99%的幾率是空鉤或者小負(fù)載，尾部臺車受力有99%的幾率高于首部臺車，因此尾部臺車疲勞壽命遠(yuǎn)小于首部臺車。倘若只從強(qiáng)度設(shè)計(jì)考慮，會導(dǎo)致此吊機(jī)在設(shè)計(jì)上不太合理。

如圖2所示，臺車滾輪主要分為以下幾個(gè)部分，由內(nèi)往外依次為：軸，軸承，軸承座，臺車支架和大滾輪。內(nèi)側(cè)還有另外1組軸承。

圖2 臺車滾輪結(jié)構(gòu)圖及裝配尺寸

軸承采用美國斯凱孚（Svenska Kullager-Fabriken，SKF）軸承，型號為：23172 CAC/C08W507，雙排調(diào)心滾柱軸承，重量為566 kg。軸和軸承之間為過盈配合（-0.21 mm～-0.28 mm），軸承和軸承座之間為公差配合（0～0.75 mm），軸承座和支架為公差配合（0.18 mm～0.30 mm）。

2 軸承故障

2018年6月9日，值班人員報(bào)告尾部臺車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出不尋常聲音。經(jīng)過輪機(jī)長、吊機(jī)工程師仔細(xì)判斷，初步判定為臺車軸承損壞，認(rèn)為有必要打開疑似損壞的軸承蓋檢查軸承情況。開蓋后發(fā)現(xiàn)尾部臺車的一個(gè)外側(cè)軸承頂部出現(xiàn)較大的裂紋?？紤]到其它臺車損壞的可能性，工作人員搭設(shè)腳手架并將40個(gè)臺車的軸承蓋全部打開檢查。經(jīng)過仔細(xì)檢查總計(jì)發(fā)現(xiàn)4個(gè)尾部臺車的軸承頂部出現(xiàn)不同程度的斷裂。軸承損壞位置及軸承損壞照片如圖3所示。

圖3 軸承損壞位置示意圖

3 軸承更換方案

對于本案例，原臺車制造廠家的安裝方案為：安裝軸承至軸承座，加熱軸承內(nèi)圈并冷卻軸，而后快速將軸承和軸承座一起裝入軸和支架中。加熱軸承和軸承座，會使得軸承座和支架之間卡??；單獨(dú)加熱軸承，則會引起軸承外圈與軸承座之間卡牢，整體加熱臺車支架，軸又會受熱，導(dǎo)致軸承內(nèi)圈無法卡入軸中，可謂環(huán)環(huán)相扣。局部加熱軸承內(nèi)圈，同時(shí)冷凍軸，通?？梢赃_(dá)到較好的效果。但是船上設(shè)備簡單，在不拆除軸的情況下，無法有效冷卻軸。因此，只能通過加熱軸承內(nèi)圈并盡量減少加熱軸承座外圈的措施來較快地實(shí)現(xiàn)安裝方案。根據(jù)相關(guān)安裝要求，需要加工特殊工裝，如：用于頂升軸承的工裝、用于轉(zhuǎn)運(yùn)軸承的工裝以及壓蓋等。專用工具有2個(gè)500 t千斤頂、500 t卸扣及吊索、2個(gè)30 t穿心液壓千斤頂、1個(gè)50 t和2個(gè)20 t普通液壓千斤頂、M32×4.5(長度50 cm)全螺牙10.9級螺栓4～8根、M36×5(長度75 cm)全螺牙10.9級螺栓4～8根、軸承內(nèi)圈加熱器等。

將詳細(xì)的技術(shù)分析與現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，可得知更換上述軸承需通過以下幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：1）消除軸承所受的壓力；2）拆除損壞的軸承；3）將軸承從軸承座內(nèi)取出；4）加熱軸承座，冷卻軸承，在甲板上將軸承裝入軸承座；5）將軸承座整體吊裝到位，加熱軸承內(nèi)圈，將軸承裝入軸上；6）利用穿心千斤頂，在導(dǎo)向螺栓的協(xié)助下緩緩將軸承安裝到位；7）軸承手動(dòng)加油、吊機(jī)測試。

3.1 消除軸承受力

通過吊機(jī)總圖和各部分的重量重心，可求出其合重心。根據(jù)彎矩平衡計(jì)算的結(jié)果，可得出：在主鉤吊重約360 t、吊裝半徑70 m，且尾部臺車附近應(yīng)支撐200 t千斤頂以頂住此臺車支撐的旋轉(zhuǎn)軌道時(shí)，可以將尾部臺車完全抬離軌道，使軸承受力完全消除。由于船在海上航行，修復(fù)時(shí)間可能較長，考慮到天氣因素，所以修復(fù)期間須考慮到在緊急情況下能放下臂架避風(fēng)的情況。同時(shí)，由于受到風(fēng)浪的影響，臂架在抬起時(shí)，整個(gè)吊機(jī)旋轉(zhuǎn)平臺仍有小角度的擺動(dòng)，此擺動(dòng)也將會加大軸承修復(fù)的難度。因此，技術(shù)人員必須想辦法消除旋轉(zhuǎn)的擺動(dòng)。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙可知，甲板中前部設(shè)置的吊機(jī)背拉吊耳垂向可承重709 t，水平可以承重595 t。背拉吊耳距吊機(jī)筒體中心約 70 m，此時(shí)吊機(jī)的起吊能力為 400 t。當(dāng)風(fēng)浪來臨時(shí)，必須考慮吊臂能夠較快速且安全地被放下，所以只是將臂架從擱架起升至主鉤半徑為 70 m，不做任何旋轉(zhuǎn)，尾部壓載支撐墊片（支撐和連接尾部壓載，固定吊機(jī)旋轉(zhuǎn)用）仍然保持插入的狀態(tài)。因?yàn)閴狠d支撐和旋轉(zhuǎn)錨定銷將旋轉(zhuǎn)并牢牢固定住，所以吊機(jī)不會有任何擺動(dòng)。主鉤直接拉背拉吊耳，有1.9°的偏角，在滿負(fù)荷的工況下，主鉤設(shè)計(jì)可以承受3.5°夾角，背拉吊耳只用到了60%的許用強(qiáng)度，且滿足吊耳規(guī)范所要求的受5°傾斜力的要求。

吊機(jī)主鉤噸位緩慢加到380 t左右時(shí)，尾部臺車稍稍抬離軌道，在尾部千斤頂施加100 t后，尾部臺車將滾輪稍微提起，臺車滾輪可以被人為撬動(dòng)。由此，損壞處臺車滾輪的外力已完全釋放。

3.2 拆除損壞軸承

原計(jì)劃是安全拆除軸承，需要計(jì)算軸與軸承之間的摩擦力，然后采用適當(dāng)?shù)墓ぱb和千斤頂將軸承從軸承座內(nèi)頂出。由于缺少適當(dāng)?shù)目删庉嫲鎴D紙，可通過描圖得到軸承內(nèi)圈的截面積約為7 000 mm2，內(nèi)圈平均直徑約為400 mm，材料為高硬度鋼材。根據(jù)圖紙可得，直徑公差為-0.28 mm。計(jì)算時(shí)，可將軸承內(nèi)圈縱向剪開攤為平面，此時(shí)軸承為一橫截面積7 000 mm2，長度為πDmm的條狀金屬塊，假設(shè)將此條狀金屬拉長-0.28π mm，需要的拉力為

式中：F為拉力，N；A為軸承內(nèi)圈的截面積，mm2；D為軸承內(nèi)圈的平均直徑，mm。

假設(shè)內(nèi)圈受到均勻向外的拉力，此拉力正好使得直徑被拉長-0.28 mm，通過積分計(jì)算，此外力為

式中：P為徑向的張力，P=4.924 5×106(N/m)；R為軸承內(nèi)圈的平均半徑，mm。

軸向摩擦力為徑向張力乘以摩擦系數(shù)，鋼材的摩擦系數(shù)在 0.1～0.3之間，保守計(jì)算取 0.3，則P=4 924 500×0.3=1 477 350(N)≈148(t)；鋼材摩擦系數(shù)若取0.1，則摩擦力為49 t。

通過制作的工裝往外拔軸承座，受力位置為軸承外圈，假設(shè)外圈作用150 t水平向外的力，則軸承內(nèi)圈不僅受150 t水平力，同時(shí)也將受到滾珠的擠壓力。

圖4 軸承示意圖

外圈擠壓滾珠，滾珠擠壓軸承內(nèi)圈，徑向力可用下列公式計(jì)算。

式中：Fn為徑向壓力，t；Fx為軸向摩擦力，t。

將776 t徑向壓力考慮成均布力，則作用面的均布壓力為

通過有限元建模方法對軸承內(nèi)圈建模[1-3]，如圖5。

圖5 軸承內(nèi)圈有限元建模示意圖

驗(yàn)證上面理論計(jì)算的正確性，計(jì)算可得：若不考慮軸的支撐作用，外圈受776 t的均布壓力時(shí)，軸承內(nèi)圈將收縮0.33 mm。由第二步的計(jì)算可知，要克服軸承內(nèi)圈0.28 mm的軸向負(fù)公差，需向其施加148 t的水平力，而施加此水平力至軸承外圈所引起的徑向壓力會使內(nèi)圈收縮0.33 mm。這意味著，內(nèi)圈會因?yàn)橥馊λ搅υ焦吭骄o，理論上拔軸承外圈無法將軸承從銷軸上拔出，反而會使其越箍越緊。

因?yàn)闊o法將軸承從銷軸上安全取出，可從碳刨軸承內(nèi)圈凸起的部位，將軸承滾柱一個(gè)個(gè)取出。偶爾噴水可讓加熱的軸承內(nèi)圈突然受冷。由于軸承內(nèi)圈承受很大的徑向拉力，軸承內(nèi)圈局部受冷極有可能會使軸承出現(xiàn)裂紋。深裂紋的出現(xiàn)意味著軸承內(nèi)圈壓緊銷軸的箍緊力已經(jīng)消除，此時(shí)可以較輕松地將軸承取出。在碳刨取軸承滾柱的過程中，4個(gè)軸承的內(nèi)圈均出現(xiàn)深度裂紋；出現(xiàn)深度裂紋后，停止碳刨并安裝用于頂出軸承和軸承座的特殊工裝，如圖6所示。利用工裝和液壓千斤頂將軸承和軸承座作為一個(gè)整體頂出，而后運(yùn)到船上的工作間。在軸承外圈焊接2根垂向桿，并安裝2個(gè)千斤頂將軸承從軸承座內(nèi)頂出。

圖6 拆卸工裝安裝示意圖

3.3 將軸承從軸承座內(nèi)取出

繼續(xù)碳刨使軸承內(nèi)圈被破壞，并將軸承剩余滾柱挨個(gè)取出。在軸承外圈焊接2根垂向桿，并安裝2個(gè)千斤頂。在加熱軸承座外圈的同時(shí)，2個(gè)液壓千斤頂對其加壓，待軸承外圈松動(dòng)后，快速將軸承外圈從軸承座內(nèi)頂出（見圖7）。徹底清潔軸承座，對各接觸面進(jìn)行拋光處理，然后對軸承座進(jìn)行液體滲透檢測（Penetrant Testing，PT）無損探傷。

圖7 軸承外圈頂出示意圖

3.4 在甲板上將軸承裝入軸承座

軸承和軸承座之間為正公差：0.00～0.75 mm，但考慮到安裝的便利性，可冷凍軸承同時(shí)加熱軸承座。

在實(shí)際操作時(shí)，先將新軸承提前1天放入船上冰庫內(nèi)，冷凍到-18℃。將軸承座用烘槍加熱到60℃左右，當(dāng)點(diǎn)溫槍檢測到軸承座溫度加熱至設(shè)定的60℃后，將軸承從冷凍間取出，并直接放入軸承座。軸承利用自身重量即可滑動(dòng)到位。

特別強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，軸承安裝進(jìn)軸承座后，一定要等待約2個(gè)小時(shí)，在軸承座和軸承溫度溫差基本消除后方可移動(dòng)軸承座。否則軸承有可能會在運(yùn)輸過程中從軸承座內(nèi)滑出。

3.5 將軸承座吊裝到軸上

傳統(tǒng)的大型軸承安裝一般為加熱安裝，由此計(jì)算軸承加熱溫度和直徑變化之間的關(guān)系如下。

普通鐵材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)均接近 1.2×10-5，和軸承之間為過盈配合（-0.21 mm～-0.28 mm）。軸承的基本尺寸為：外徑D=600 m，內(nèi)徑d=360 mm，根據(jù)熱膨脹公式

式中：△d為軸承加熱過程中，直徑的變化量，mm；△t為軸承加熱過程中的溫差，℃；d為軸承的內(nèi)徑，mm。

倘若軸承內(nèi)徑需增大0.28 mm，則溫差△t必須在64℃以上?？紤]到表面粗糙度的影響，軸承內(nèi)圈與銷軸溫差應(yīng)至少在70℃以上。

軸承座和支架為公差配合（0.18 mm～0.30 mm），軸承座外徑為755 mm，因此支架的尺寸約為755.3 mm（755 mm+0.30 mm）。如若要使加熱后的軸承座外徑仍小于支架內(nèi)徑，則溫差需在20℃到33℃之間。

也就是說，如要將軸承座順利安裝進(jìn)支架，其與支架間的溫差應(yīng)小于 20℃。而為了將軸承安裝進(jìn)軸，溫差則需大于 64℃。因?yàn)檩S和支架為一體，其溫度需相同。實(shí)際操作過程中，若想在冷卻軸的同時(shí)保持軸承座溫度不變或少量降低，難度很大。整體加熱軸承和軸承座的方法也無法將軸承和軸承座一步安裝到位。

將軸承和軸承座作為一個(gè)整體（以下簡稱軸承座），用特殊吊裝工裝移動(dòng)到安裝區(qū)域，并將軸承座定位到銷軸前端便于安裝的位置。但不要和銷軸接觸，以免熱量傳導(dǎo)到銷軸上。同時(shí)，安裝好導(dǎo)向螺桿和用于推力軸承的特殊工裝，如圖8所示。采用溫控陶瓷加熱器將內(nèi)圈加熱到150℃。軸承座外圈通過滾珠與軸承座內(nèi)圈間接連接，其導(dǎo)熱率很低。當(dāng)實(shí)際軸承內(nèi)圈加熱到150℃時(shí)，軸承座外圈溫升小于10℃。移除陶瓷加熱墊片，調(diào)整好推力軸承工裝并安裝穿心千斤頂，調(diào)整導(dǎo)向螺桿，將軸承座和支座之間的間隙調(diào)整到上下左右一致，而后快速將軸承套入軸上。

圖8 軸承安裝工裝示意圖

3.6 將軸承安裝到位

用千斤頂推力軸承壓蓋板，并同時(shí)測量軸承座和支座之間對角線的間隙，保持均勻推進(jìn)。如果發(fā)現(xiàn)間隙不均勻，可以手動(dòng)調(diào)整外圈推進(jìn)螺帽，但不可用力過大。切記不可用加長桿、液壓或氣動(dòng)工具轉(zhuǎn)動(dòng)軸承座外圈推進(jìn)螺帽（如果螺帽產(chǎn)生推力過大，可能會將軸承從軸承座內(nèi)推出）。如果軸承座外圈的溫升小于10℃，且軸承座外圈與其支架之間應(yīng)該還有小的間隙，可以持續(xù)推動(dòng)千斤頂，直到軸承安裝到位。如果軸承座外圈溫升超過20℃，軸承座外圈與其支架之間的間隙將不復(fù)存在，必須等到軸承座外圈的溫升降到10℃以內(nèi)，方可繼續(xù)擠壓軸承內(nèi)圈端蓋板。倘若強(qiáng)行擠壓，軸承座外圈與其支架之間會有較大的阻力，且軸承內(nèi)圈和銷軸也有較大的推力，將會導(dǎo)致軸承座與支架之間不平行。若外圈螺桿受因力不均而產(chǎn)生扭曲，便無法持續(xù)推進(jìn)，強(qiáng)行推端蓋板也可能將軸承從軸承座內(nèi)擠出。

第一個(gè)軸承進(jìn)入銷軸約60 mm后，軸承外圈擠到軸承座支架上，等待約45 min冷卻后（重新有間隙后）繼續(xù)推壓軸承壓蓋板直至到位，整個(gè)過程千斤頂推力未超過60 t。此次安裝的4個(gè)軸承，除第一個(gè)溫升超過10℃外，其它3個(gè)軸承座外圈溫升均未超過10℃，且一次性頂?shù)轿弧?/p>

根據(jù)圖紙要求檢查軸承和銷軸之間的間隙，如果間隙在公差范圍內(nèi)，且千斤頂無法繼續(xù)推動(dòng)軸承內(nèi)圈端蓋板，表明軸承已經(jīng)安裝到位。千斤頂總噸位應(yīng)控制在100 t以內(nèi)，以防對軸承或軸承座產(chǎn)生損壞。在計(jì)算間隙、安裝墊片的過程中，應(yīng)確保安裝墊片后的間隙在0.2 mm～0.4 mm之間，移除推進(jìn)工具。而后安裝軸承座和軸承內(nèi)圈蓋板螺桿，并根據(jù)圖紙要求將扭矩打到1 100 N·m。

在推進(jìn)過程中，一定要隨時(shí)檢查滾柱活絡(luò)的情況，應(yīng)時(shí)刻保證滾柱不受力。若受力則表示軸承外圈與內(nèi)圈之間有相對位移，過大的推力會將軸承從軸承座內(nèi)推出。

3.7 軸承手動(dòng)加油、吊機(jī)測試

徹底清潔滾柱和軸承，手動(dòng)添加適量的油脂后，可安裝端蓋板并打扭矩，接著對吊機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)和測試。

測試程序如下：1）恢復(fù)吊機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，解除千斤頂和主鉤、拆除腳手架，并通過自動(dòng)加油系統(tǒng)繼續(xù)補(bǔ)充足量潤滑油；2）將臂架角度調(diào)整到45°，此時(shí)尾部滑輪受力適中；3）向左低速旋轉(zhuǎn)1圈；4）向右低速旋轉(zhuǎn)1圈；5）將臂架角度調(diào)整到65°，此時(shí)尾部滑輪受力較大；6）向左常速旋轉(zhuǎn)2圈；7）向右常速旋轉(zhuǎn)2圈；8）向右最大速度旋轉(zhuǎn)約90°，然后向左最快旋轉(zhuǎn)90°，重復(fù)3次。

在整個(gè)性能測試的過程中，未聽到異常噪音和振動(dòng)。測試結(jié)束后開蓋檢查損壞的軸承，未發(fā)現(xiàn)軸承有損傷痕跡。至此，整個(gè)更換過程結(jié)束。

4 結(jié)論

由于體積和重量較大，這種大型雙排滾柱自鎖式軸承在缺乏經(jīng)驗(yàn)和施工現(xiàn)場工具短缺的情況下是很難被更換的。在更換該軸承的過程中，拆卸工裝、穿心千斤頂、導(dǎo)向螺桿等都是極其有用的工具。與此同時(shí)，工作人員對加熱溫度和時(shí)間的把握也很重要。