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，上海 200090）

0 引言

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

1 吊機設計

該吊機設計為尾部2組臺車，每部臺車2個滾輪；首部2組臺車，每組3個滾輪，且每個滾輪含內外2個軸承，臺車滾輪沿旋轉軌道行走，臺車布置如圖1所示。

圖1 吊機臺車布置簡圖

NOV采用臺車形式的行走，大大減輕了吊機的整體重量，可使其高速平穩旋轉，旋轉速度約3.14 r/min。對起吊能力為 3 000 t的大型浮吊來說，這樣的旋轉速度相當可觀。但其缺陷也很明顯：安裝精度難以控制、可靠性差。吊機的垂向負載由安裝在直徑20 m的筒體四個角的4組臺車承擔。水平負載由設置在吊機中心的中心銷承擔。尾部臺車分左右2組，每組4個滾輪；首部臺車也分為左右 2組，每組 6個滾輪；從受力的角度來分析，空鉤時吊機旋轉部分重量為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。故在設計時首部臺車的數量（12個）大于尾部臺車的數量（8個）。但首部臺車在吊重較小或沒有吊重時，受力遠遠小于尾部臺車。故障率也是尾部臺車遠高于首部臺車，因為吊機有99%的幾率是空鉤或者小負載，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小于首部臺車。倘若只從強度設計考慮，會導致此吊機在設計上不太合理。

如圖2所示，臺車滾輪主要分為以下幾個部分，由內往外依次為：軸，軸承，軸承座，臺車支架和大滾輪。內側還有另外1組軸承。

圖2 臺車滾輪結構圖及裝配尺寸

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，值班人員報告尾部臺車運轉時發出不尋常聲音。經過輪機長、吊機工程師仔細判斷，初步判定為臺車軸承損壞，認為有必要打開疑似損壞的軸承蓋檢查軸承情況。開蓋后發現尾部臺車的一個外側軸承頂部出現較大的裂紋。考慮到其它臺車損壞的可能性，工作人員搭設腳手架并將40個臺車的軸承蓋全部打開檢查。經過仔細檢查總計發現4個尾部臺車的軸承頂部出現不同程度的斷裂。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住；單獨加熱軸承，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，導致軸承內圈無法卡入軸中，可謂環環相扣。局部加熱軸承內圈，同時冷凍軸，通常可以達到較好的效果。但是船上設備簡單，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圈并盡量減少加熱軸承座外圈的措施來較快地實現安裝方案。根據相關安裝要求，需要加工特殊工裝，如：用于頂升軸承的工裝、用于轉運軸承的工裝以及壓蓋等。專用工具有2個500 t千斤頂、500 t卸扣及吊索、2個30 t穿心液壓千斤頂、1個50 t和2個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、軸承內圈加熱器等。

將詳細的技術分析與現場設備的實際操作經驗相結合，可得知更換上述軸承需通過以下幾個步驟實現：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，加熱軸承內圈，將軸承裝入軸上；6）利用穿心千斤頂，在導向螺栓的協助下緩緩將軸承安裝到位；7）軸承手動加油、吊機測試。

3.1 消除軸承受力

通過吊機總圖和各部分的重量重心，可求出其合重心。根據彎矩平衡計算的結果，可得出：在主鉤吊重約360 t、吊裝半徑70 m，且尾部臺車附近應支撐200 t千斤頂以頂住此臺車支撐的旋轉軌道時，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，修復時間可能較長，考慮到天氣因素，所以修復期間須考慮到在緊急情況下能放下臂架避風的情況。同時，由于受到風浪的影響，臂架在抬起時，整個吊機旋轉平臺仍有小角度的擺動，此擺動也將會加大軸承修復的難度。因此，技術人員必須想辦法消除旋轉的擺動。

根據設計圖紙可知，甲板中前部設置的吊機背拉吊耳垂向可承重709 t，水平可以承重595 t。背拉吊耳距吊機筒體中心約 70 m，此時吊機的起吊能力為 400 t。當風浪來臨時，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，尾部壓載支撐墊片（支撐和連接尾部壓載，固定吊機旋轉用）仍然保持插入的狀態。因為壓載支撐和旋轉錨定銷將旋轉并牢牢固定住，所以吊機不會有任何擺動。主鉤直接拉背拉吊耳，有1.9°的偏角，在滿負荷的工況下，主鉤設計可以承受3.5°夾角，背拉吊耳只用到了60%的許用強度，且滿足吊耳規范所要求的受5°傾斜力的要求。

吊機主鉤噸位緩慢加到380 t左右時，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。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

原計劃是安全拆除軸承，需要計算軸與軸承之間的摩擦力，然后采用適當的工裝和千斤頂將軸承從軸承座內頂出。由于缺少適當的可編輯版圖紙，可通過描圖得到軸承內圈的截面積約為7 000 mm2，內圈平均直徑約為400 mm，材料為高硬度鋼材。根據圖紙可得，直徑公差為-0.28 mm。計算時，可將軸承內圈縱向剪開攤為平面，此時軸承為一橫截面積7 000 mm2，長度為πDmm的條狀金屬塊，假設將此條狀金屬拉長-0.28π mm，需要的拉力為

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

假設內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為軸承內圈的平均半徑，mm。

軸向摩擦力為徑向張力乘以摩擦系數，鋼材的摩擦系數在 0.1～0.3之間，保守計算取 0.3，則P=4 924 500×0.3=1 477 350(N)≈148(t)；鋼材摩擦系數若取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，假設外圈作用150 t水平向外的力，則軸承內圈不僅受150 t水平力，同時也將受到滾珠的擠壓力。

圖4 軸承示意圖

外圈擠壓滾珠，滾珠擠壓軸承內圈，徑向力可用下列公式計算。

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圈建模[1-3]，如圖5。

圖5 軸承內圈有限元建模示意圖

驗證上面理論計算的正確性，計算可得：若不考慮軸的支撐作用，外圈受776 t的均布壓力時，軸承內圈將收縮0.33 mm。由第二步的計算可知，要克服軸承內圈0.28 mm的軸向負公差，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圈收縮0.33 mm。這意味著，內圈會因為外圈水平力越箍越緊，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。

因為無法將軸承從銷軸上安全取出，可從碳刨軸承內圈凸起的部位，將軸承滾柱一個個取出。偶爾噴水可讓加熱的軸承內圈突然受冷。由于軸承內圈承受很大的徑向拉力，軸承內圈局部受冷極有可能會使軸承出現裂紋。深裂紋的出現意味著軸承內圈壓緊銷軸的箍緊力已經消除，此時可以較輕松地將軸承取出。在碳刨取軸承滾柱的過程中，4個軸承的內圈均出現深度裂紋；出現深度裂紋后，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整體頂出，而后運到船上的工作間。在軸承外圈焊接2根垂向桿，并安裝2個千斤頂將軸承從軸承座內頂出。

圖6 拆卸工裝安裝示意圖

3.3 將軸承從軸承座內取出

繼續碳刨使軸承內圈被破壞，并將軸承剩余滾柱挨個取出。在軸承外圈焊接2根垂向桿，并安裝2個千斤頂。在加熱軸承座外圈的同時，2個液壓千斤頂對其加壓，待軸承外圈松動后，快速將軸承外圈從軸承座內頂出（見圖7）。徹底清潔軸承座，對各接觸面進行拋光處理，然后對軸承座進行液體滲透檢測（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，可冷凍軸承同時加熱軸承座。

在實際操作時，先將新軸承提前1天放入船上冰庫內，冷凍到-18℃。將軸承座用烘槍加熱到60℃左右，當點溫槍檢測到軸承座溫度加熱至設定的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到位。

特別強調一點，軸承安裝進軸承座后，一定要等待約2個小時，在軸承座和軸承溫度溫差基本消除后方可移動軸承座。否則軸承有可能會在運輸過程中從軸承座內滑出。

3.5 將軸承座吊裝到軸上

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

普通鐵材質的熱膨脹系數均接近 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，內徑d=360 mm，根據熱膨脹公式

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為軸承的內徑，mm。

倘若軸承內徑需增大0.28 mm，則溫差△t必須在64℃以上。考慮到表面粗糙度的影響，軸承內圈與銷軸溫差應至少在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支架，其與支架間的溫差應小于 20℃。而為了將軸承安裝進軸，溫差則需大于 64℃。因為軸和支架為一體，其溫度需相同。實際操作過程中，若想在冷卻軸的同時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整體（以下簡稱軸承座），用特殊吊裝工裝移動到安裝區域，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，以免熱量傳導到銷軸上。同時，安裝好導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圈加熱到150℃。軸承座外圈通過滾珠與軸承座內圈間接連接，其導熱率很低。當實際軸承內圈加熱到150℃時，軸承座外圈溫升小于10℃。移除陶瓷加熱墊片，調整好推力軸承工裝并安裝穿心千斤頂，調整導向螺桿，將軸承座和支座之間的間隙調整到上下左右一致，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，并同時測量軸承座和支座之間對角線的間隙，保持均勻推進。如果發現間隙不均勻，可以手動調整外圈推進螺帽，但不可用力過大。切記不可用加長桿、液壓或氣動工具轉動軸承座外圈推進螺帽（如果螺帽產生推力過大，可能會將軸承從軸承座內推出）。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該還有小的間隙，可以持續推動千斤頂，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存在，必須等到軸承座外圈的溫升降到10℃以內，方可繼續擠壓軸承內圈端蓋板。倘若強行擠壓，軸承座外圈與其支架之間會有較大的阻力，且軸承內圈和銷軸也有較大的推力，將會導致軸承座與支架之間不平行。若外圈螺桿受因力不均而產生扭曲，便無法持續推進，強行推端蓋板也可能將軸承從軸承座內擠出。

第一個軸承進入銷軸約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）繼續推壓軸承壓蓋板直至到位，整個過程千斤頂推力未超過60 t。此次安裝的4個軸承，除第一個溫升超過10℃外，其它3個軸承座外圈溫升均未超過10℃，且一次性頂到位。

根據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，且千斤頂無法繼續推動軸承內圈端蓋板，表明軸承已經安裝到位。千斤頂總噸位應控制在100 t以內，以防對軸承或軸承座產生損壞。在計算間隙、安裝墊片的過程中，應確保安裝墊片后的間隙在0.2 mm～0.4 mm之間，移除推進工具。而后安裝軸承座和軸承內圈蓋板螺桿，并根據圖紙要求將扭矩打到1 100 N·m。

在推進過程中，一定要隨時檢查滾柱活絡的情況，應時刻保證滾柱不受力。若受力則表示軸承外圈與內圈之間有相對位移，過大的推力會將軸承從軸承座內推出。

3.7 軸承手動加油、吊機測試

徹底清潔滾柱和軸承，手動添加適量的油脂后，可安裝端蓋板并打扭矩，接著對吊機系統進行恢復和測試。

測試程序如下：1）恢復吊機運行狀態，解除千斤頂和主鉤、拆除腳手架，并通過自動加油系統繼續補充足量潤滑油；2）將臂架角度調整到45°，此時尾部滑輪受力適中；3）向左低速旋轉1圈；4）向右低速旋轉1圈；5）將臂架角度調整到65°，此時尾部滑輪受力較大；6）向左常速旋轉2圈；7）向右常速旋轉2圈；8）向右最大速度旋轉約90°，然后向左最快旋轉90°，重復3次。

在整個性能測試的過程中，未聽到異常噪音和振動。測試結束后開蓋檢查損壞的軸承，未發現軸承有損傷痕跡。至此，整個更換過程結束。

4 結論

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驗和施工現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、導向螺桿等都是極其有用的工具。與此同時，工作人員對加熱溫度和時間的把握也很重要。