「论文」大型打捞船起重机新型回转支承结构的优化设计

编者按：2015年11月6日至8日，经中华人民共和国商务部批复同意，协会联合国际潜水承包商协会（ADCI）国际海事承包商协会（IMCA）在厦门共同主办了首届国际潜水救捞与海洋工程装备展览会。展会期间特别设置“面向21世纪海上丝绸之路”—2015国际潜水救捞与海洋工程技术论坛，《论文集》共收集56篇论文，现转发供各位会员学习交流。

论文来源：《“面向21世纪海上丝绸之路”—2015国际潜水救捞与海洋工程技术论坛论文集》（ISBN 978-988-160-699-0）

姚海 隋振华 王鑫 严兵 王文涛

上海振华重工集团股份有限公司

摘要：为了优化大型打捞船全回转起重机的回转支承结构设计，建立了起重机圆筒体的壳单元有限元模型，分析了无风作业、有风作业和拖航工况下筒体结构的受力情况，计算了筒体结构在承受内排正滚轮压力、外排正滚轮压力，反滚轮压力、中心轴承、回转机构以及锚定销作用下的结构强度。根据船级社规范确定了多排满滚轮式轨道箱体主结构和新型双层辐条支撑结构的板厚方案。根据结构计算结果，进一步讨论了无配重箱式起重机反滚轮结构设计方案；最后分析了最大轮压下轮轨整体结构的接触强度特性。研究工作为大型全回转起重机的优化设计提供了分析手段和参考依据。

关键词：回转支承结构  结构强度  有限元  救助打捞船

1 前言

浮吊船是打捞工程船中最主要的船型之一，在沉船打捞工程施工中具有广泛应用。如振华重工研制的目前亚洲最大的4000t全回转浮吊船“华天龙”在打捞南海一号中发挥了重要作用^[1]。随着沉船吨位的大型化和海洋工程生产模块的重型化，浮吊船的设计也提出了更高的要求。

在大型全回转浮吊的设计中，回转支承结构的设计至关重要，其承受着整台吊机回转部分的自重及吊重引起的垂向载荷，其强度直接影响起重机的安全性和可靠性^[2]。目前关于浮吊大型回转支承结构的研究大致可以分为三个方向：一是基于无平衡梁多排滚轮形式优化轮压分布，如振华重工联合上海交通大学，同济大学和上海海事大学，针对7500吨全回转浮吊回转支承的轮压计算，轮压均衡开展的联合攻关^[3-5]；二是基于大型回转轴承结构进行结构优化，如江苏科技大学在分析自升自航式风电安装船浮式起重机承载工况的基础上，建立了同时回转支承有限元模型并进行接触分析^[6]；三是研究探索利用新型材料替代滚轮夹套式设计方式，如大连理工大学提出采用非金属滑动摩擦材料来取代传统的滚动式回转支承，并对其进行了结构模型试验^[7-8]。

本文以振华重工正在研制的某打捞局大型全回转起重机为研究对象，分析了新型双层辐条支撑结构下圆筒体的结构强度，讨论比较了滚轮轨道接触对的接触强度，为整体回转支承结构的设计优化提供指导。

2 新型回转支承结构特点

目前，大型全回转浮吊通常采用无平衡梁多支点滚轮式回转支承装置。这种形式的回转支承装置通常由若干排分布在圆弧轨道上的圆柱滚子组成，同一轨道半径上的滚子通过支架相互固定，圆柱滚子的分布圆半径及排数由浮吊的吨位及使用工况决定。回转支承中的每个滚轮既可相对固定在回转部分的上轨道发生转动，又可相对固定在支承筒体的下轨道发生转动。图1-2为本文提出的双排滚轮式回转支承装置示意图，该设计结构的特点和受力情况为：

(1) 采用双层辐条支撑结构提高整个回转部分稳定性高。相较传统单层辐条结构，该种设计承受吊重及臂架自重产生的倾覆力矩、回转工况时的回转作用力以及拖航时锚定销作用力更加坚固。

(2) 取消滚轮橡胶垫，通过预变形均衡轮压。因双排滚轮垂向载荷由回转下外筒体承受，轻量化设计回转轨道和承压箱梁主板结构。

(3) 采用高强钢反滚轮结构，在保证吊重及臂架自重产生的倾覆力矩情况下，减轻结构自重。

(4) 整体结构紧凑，重心位置低，整个回转部分稳定性高，制造和安装也相对简单，而且采用多支点滚轮形式，轮压分配均匀，支承筒体受力比较理想。

3 回转支承结构有限元分析

采用有限元软件ANSYS验证整体结构是否能承受来自滚轮和反滚轮、中心轴承、回转机构以及锚定销的力，其强度是否满足CCS规范的要求。

3.1 有限元建模

使用ANSYS中shell181单元，计算模型坐标系设置如下：沿船长指向船艏为x轴正方向，垂直甲板向上为y轴正方向，根据右手法则确定z轴正方向，即面向船艏沿船宽右手为z轴正方向。图3为整体有限元模型，此模型包括了图1中的外筒体(1)，支撑辐条(2)和内筒体(5)共三部分子结构，反滚轮结构(4)另外建模进行分析。

3.2 载荷与边界条件

模型施加载荷来自起重机整体的结构计算数据，包括：1.内排正滚轮压力；2.外排正滚轮压力；3.反滚轮支反力；4.中心轴承作用力；5.回转作业时齿轮齿条啮合产生的圆周力；6.拖航工况时锚定销对支撑辐条结构的作用力。以下主要讨论轮压的计算结果。

图4为主钩固定额定满载无风工况下(主钩幅度40m)，起重机内外排滚轮与反滚轮的轮压曲线，以臂架方向为0度，逆时针角度为正。图中横坐标为滚轮分布的不同角度，均为360度等角度间隔分布，不同位置的滚轮轮压各不相同。从图中可见，外排滚轮(Top Outer)的最大轮压为375t，位于+84度；内排滚轮(Top Inner)的最大轮压为360t，位于+27度；反滚轮(Bot)的最大轮压为450t，主要分布在±30度之内。

将以上起重机整机计算结果作为输入载荷加载在图3所建的有限元模型，分别考虑表1的各个子工况，边界条件为在整体有限元模型的底部施加全约束。

3.3 计算结果

因计算结果较多，图5给出表1中子工况1的计算结果，最大应力位于下部舱门开口上圆角位置。圆筒体主结构材料为船用钢板DH36和EH36，从表2材料许用应力情况来看，各个子工况的计算结果满足规范要求，这为进一步结构的轻量化设计提供了基础。

4 结构优化

根据上文的计算结果，本节主要分析圆筒体结构的轻量化，计算反滚轮结构强度，并讨论其优化方案。

4.1 圆筒体结构方案

圆筒体下部与船体基座连接，上部承载起重机自重和吊载，控制其结构设计重量对整机轻量化具有重要意义。针对滚轮轨道承载箱梁结构问题，分别以正滚轮轮压和反滚轮轮压为输入载荷，表3比较了不同圆筒体结构的板厚方案。

4.2 反滚轮结构分析

图6(a)为反滚轮结构示意图，6(b)为以shell181单元建立的有限元模型，载荷按反滚轮各轮压分布逐一加载到相应不同位置，选取整体结构的上端施加全约束。

根据提取的滚轮最大轮压，本节讨论滚轮的受力情况，并初步比较轮轨踏面对接触受力的影响。

5.1 滚轮分析

图8(a)为滚轮轨道有限元模型，考虑到轴对称性，滚轮和轨道各建1/2模型，以提高计算效率。定义轨道面和滚轮面为接触对，边界条件为轴对称约束，载荷加载为上端面各节点。

因本文讨论的重点不是轮轨接触应力，而是滚轮的小孔，因而图8(b)给出了小孔区域的应力分布，最大值为530Mpa，因本小孔为工艺辅助开孔，可以取消，因而图8(c)~ 8(d)给出了取消小孔后的计算模型和该区域的应力计算结果，最大值345Mpa，若全部滚轮取消小孔，起重机总重增加4.9t，影响不大。

5.2 轮轨踏面分析

轮轨踏面的分析对于回转支承结构的设计非常重要，并在轨道交通领域有着广泛应用。然而两者的工况条件不同，前者为高速轻载，而大型打捞船起重机的回转作业为慢速重载，因而有所差异。而且，船级社规范的技术要求也制约了设计应用。

图9给出了两种轮轨设计形式的接触应力计算比较。其中方案1的轨道设计类似铁轨的工字钢，上表面有明显的外凸型圆弧面，滚轮外接触面则为内凹圆弧面；方案2中的轨道设计则为普通钢板，上表面平整，滚轮外接触面的外凸圆弧面设计也不明显，基本可认为两者为直线线接触。

从计算结果来看，方案1加载200t时的接触应力为1800Mpa，轨道为1330Mpa，轨道的整理受力比较均匀；方案2加载250t时的接触应力为1940Mpa，最大应力位于轨道表面，轨道的设计减重还有一定的优化空间。当然，关于两种轮轨踏面的分析还有待于进一步研究。

6 结论

大型全回转浮吊在打捞救援过程中发挥着重要的作用，具有广泛的工程应用。本文在现有多排满滚轮回转支承结构的基础上，对其中的辐条支撑和反滚轮结构等子结构提出了新型设计型式，提高了回转部分的稳定性，减轻了结构配重，并对圆筒体、反滚轮结构的设计优化进行了方案比较，研究工作为起重机的优化设计提供了分析手段和参考依据。