可更换元件的滚子轴承组件的制作方法

不适用

本发明涉及一种用于例如海上钻井或采油船舶等船舶的转台轴承结构和组件，更具体地涉及一种包括可以原位执行的轴承修复方法的转台轴承结构和组件。

背景技术：

船舶系泊系统在本领域中是已知的，其中，船舶可围绕系泊在海床上的转台随风向改变方位。利用放置在转台与船舶之间的转台轴承结构和组件支撑船舶相对于转台旋转。水平和竖直轴承在转台与船舶之间传递水平和竖直载荷。

转台可以是内部转台或外部转台。内部转台延伸穿过月池或圆柱形开口，月池或圆柱形开口延伸穿过船舶的船体。外部转台设置在船舶的船体外部，并被合适的连接构件固定到船首或船尾。

受让给lindblade等人的美国专利no.8,671,864公开了一种内部转台系统。美国专利no.8,671,864的图1公开了一种船舶的船首，该船首具有延伸穿过船舶船体的月池。转台安装在月池中，船舶围绕转台随风向改变方位。月池通常具有圆形横截面，并且转台通常具有圆柱形状以配合到月池中。锚腿连接到转台，并被合适的锚固定到海床，以限制转台的旋转。立管从海底井口或海底上的配送设施延伸出来，并连接到转台。歧管台被支撑在转台的上端，并包括与立管连接的阀门。旋转堆叠部从转台和歧管台向上延伸，并允许流体从转台被输送到船舶。转台被转台轴承组件支撑在船舶上。

通常使用的一种类型的转台轴承组件是如boatman拥有的美国专利no.5,893,784中所示和所述的一体式三排滚子轴承组件。三排滚子轴承组件包括围绕转台径向对准且用于支撑转台重量的圆形阵列的支撑滚子(在本文中被称为轴承的支撑排)。任意提升转台的力都受到第二组径向对准的滚子(在本文中被称为轴承的提升排)抵抗。围绕转台同轴对准的第三组滚子(在本文中被称为轴承的径向排)用于在船舶与转台之间传递径向载荷。三排滚子轴承组件的三个轴承排优选地被润滑且被密封件密封在共用容积部内，以提供对元件的保护并防止腐蚀。一体式三排滚子轴承组件是一种精确组件，该精确组件为了适当的载荷分布而需要高度的平整度，并且在一定程度上不能容忍扭曲和偏转(这会在选定的滚子上产生高的点负载应力)。

转台系统中的三排滚子轴承的可靠性非常好；然而，当这些轴承存在问题时，缓解措施可能非常昂贵并且会中断生产。在转台应用中三排滚子轴承的预先使用通常不能提供更换轴承中的滚动元件的能力，除非进行非常昂贵的过程，即将单元从停泊站送到造船厂并通过反转安装来移除轴承组件。滚动元件限定为滚子、滚子保持架或间隔件以及座圈(race)的供滚子在上面滚动的耐摩擦表面。轴承问题很可能是在这些滚动元件部件的界面处引发的，这是因为会在该界面处发生大的应力和磨损。

在现有技术中，用于转台系统的三排滚子轴承不能被原位更换，并且如果发生轴承问题则会对系统造成重大风险。当存在对可更换轴承的需求时，通常使用例如车轮轴承和轨道轴承或负重轮(bogeywheel)轴承等其他技术。这些车轮轴承、轨道轴承和负重轮轴承存在一些限制，这些限制可能使它们比用于某些转台系统的三排滚子轴承更不令人满意。

更优选的技术方案是原位(即，在被系泊的转台的位置处)更换损坏的三排滚子轴承。原位更换滚动元件的一个重要问题是：在轴承的拆卸和重新组装期间保持径向轴承内座圈在外座圈内居中，并且在径向滚子被移除时对径向载荷作出反应。

先前在原位可更换元件的三排滚子轴承的设计中尝试将多排滚子分成可以一次更换一个的离散轴承。离散轴承被设计成允许具有更换空间的结构。这种离散轴承设计尚未经过现场验证。美国专利no.8,950,349公开了一种原位可更换元件的三排滚子轴承，该三排滚子轴承将多排滚子分成可以一次更换一个的离散轴承。美国专利no.8,950,349中的轴承设计是三排滚子轴承组件的更大实施方式，占用更多空间并且更昂贵。

受让给bluewaterenergyservicesb.v.的美国专利no.8,197,293公开了：首先将副轴承组件安装在适当的位置，并且在主轴承组件不再起作用时加载副轴承组件。包括两个完整的轴承组件(其中一个轴承组件作为备用组件)占用更多空间，成本过高—不利地影响资本支出—并且还不能在原位进一步更换。

期望能够原位更换或修复受损的转台三排滚子轴承组件。还期望能够在船舶停留在停泊站时更换或修复损坏的转台三排滚子轴承组件。期望能够从现有的轴承支撑排中移除较大的竖直载荷并允许船舶停留在停泊站。还期望能够将内座圈保持为大致居中定位在外座圈内并且在径向滚子被移除时对径向载荷作出反应。

技术实现要素：

本发明的优选实施例提供了原位更换耐磨损滚动元件(例如滚子和座圈)的能力。这大大降低了潜在的轴承组件问题中的操作风险。由于现在可以原位更换滚动元件，因此这降低了与轴承组件的潜在问题相关的成本和风险。

本发明使用可更换的硬化钢座圈插入件，并且轴承组件以如下方式组装：可以在原位移除和更换滚动元件。另外，轴承组件被设计成使得轴承组件可以在原位被拆卸和重新组装，以便于可以更换滚动元件。此外，围绕轴承组件外径的空间被内置在结构中，使得可以触及滚动元件。本发明还包括转台的提升方法，以便可以卸下主支撑滚子以进行移除。本发明的另一方面包括内置的副径向轴承或定中心器，以在拆卸期间保持径向轴承环同心。

本发明允许在原位更换轴承滚动元件，从而减少轴承问题或失效的风险，并且在主轴承组件中使用一体的副径向轴承，以允许在更换过程期间同心。

附图说明

通过阅读以下实施例的详细描述并通过研究附图可以更好地理解本发明，在附图中：

图1是用于与船舶的月池中的转台旋转地联接的一体式三排滚子轴承组件的截面的局部正视图，示出了用于传递轴向力的径向对准的滚子的上下构造以及用于传递径向载荷的滚子的中间同轴构造，这些滚子全部排列在单个密封的润滑容积部内；

图2是图1的一部分的放大图；

图3是类似于图2的视图，但是位置颠倒；

图4是类似于图3的视图，但还示出了转台升降系统；以及

图5是处于分解状态的一体式三排滚子轴承组件的局部透视图，分解状态允许原位更换主支撑滚子和座圈。

具体实施方式

本发明包括位于转台(外部或内部)中的三排滚子轴承组件10，三排滚子轴承组件10包含可原位更换的滚动元件。滚动元件限定为滚子、滚子保持架或间隔件以及座圈的供滚子在上面滚动的耐磨损表面。轴承座圈提供滚子滚动的路径。为了实现最长的使用寿命，轴承座圈的滚子路径需要尽可能平坦和圆滑，以便在滚子自己身上实现平稳的载荷分布。轴承问题很可能是在这些部件的界面处引发，这是因为该界面是发生大的应力、接触载荷和磨损的位置。

图1描绘了根据本发明的实施例的三排滚子轴承组件10的截面视图，三排滚子轴承组件10适用于许多转台系统。在该系统中，转台具有三排滚子轴承组件10，三排滚子轴承组件10被安装为对作用在由转台结构12表示的转台与浮动船舶的转台支撑结构14之间的载荷作出反应。应理解的是，转台支撑结构14是浮动船舶的一部分，并且相对于浮动船舶不移动。转台12是对地球静止的，并具有沿大致竖直方向的纵向轴线。允许浮动船舶(包括转台支撑结构14)围绕相对于地球静止的转台12随风向改变方位。三排滚子轴承组件10可以是仅有的跨越该旋转界面传递载荷的装置。

参见图1和图2，三排滚子轴承组件10包括圆形阵列的支撑滚子24、支撑座圈22和滚子保持架26(图3)，所有这些部件整体被指定为支撑排组件20。如图5所示，圆形阵列的支撑滚子24围绕转台12沿径向对准，以支撑转台重量。任何提升转台的力都受到第二组沿径向对准的滚子44与提升座圈42和保持架46(图3)抵抗，所有这些部件整体被指定为提升排组件40。第三组滚子64与径向座圈62o、62i和保持架或间隔件(未示出)(所有这些部件整体被指定为径向排组件60)围绕转台12同轴对准，并用于在三排滚子轴承组件10的正常操作期间在船舶与转台12之间传递径向载荷。用于传递径向载荷的第三组滚子64通常具有滚子64之间的间隔件。然而，有时轴承设计为完全互补，这意味着不存在径向保持架或间隔件而仅存在滚子64。

当施加向下作用的轴向力时，下方组的支撑滚子和座圈20受到的载荷最大。在三排滚子轴承中，轴承支撑滚子和座圈20通常承受最大载荷，并且最有可能在中层到深层水系统中遭受损坏。对于浅水系统，径向载荷可能非常高，而竖直载荷是标称的。因此，在浅水系统中，轴承径向滚子和座圈60可能受到的载荷最大，并且最有可能遭受损坏。

参见图2和图3，轴承内圈组件30经由多个周向间隔开的紧固件，优选地经由螺纹双头螺栓32和螺母34(图3)被固定到转台结构12。轴承外圈组件50经由多个周向间隔开的紧固件，优选地经由螺纹双头螺栓52和螺母54被固定到浮动船舶的转台支撑结构14。

如图2所示，在本发明的优选实施例中，轴承内圈组件30包括安装在下内圈38上的上内圈36。在图3所示的可选实施例中，与分离的上内圈36和下内圈38相反的是，轴承内圈组件30包括整体环。

轴承外圈组件50包括安装在中间外圈57上的上外圈56，中间外圈57安装在下外圈58上。现有技术的外圈组件通常为两层—上层和下层，从而可以组装滚子轴承组件。在本发明的优选实施例中，外圈组件50为三层。优选的是，上外圈56和下外圈58分别是连续或整体环，并且中间外圈57被分段成等分段57a(例如12、16或24个)，使得这些部件在被移除时可以被容易地处理。图5示出了从轴承组件10中移除的一对中间外圈段57a。在移除中间外圈段57a之前移除上外圈56。优选的是，中间外圈段57a被销钉固定到下外圈58和上外圈56，以确保在组装和重新组装期间的对准。在可选实施例中，如果允许用于从顶部进行移除的空间，则中间外圈57可以是连续环。

通常，在现有技术中的直径小于8米的轴承中，硬化的座圈表面是与轴承锻造圈成一体的感应硬化表面。在现有技术中，硬化钢座圈插入件常见于直径大于8米的分段轴承。在本发明的优选实施例中，硬化座圈表面是硬化钢板插入件(其被称为钢丝座圈(wirerace))，如图3所示，该硬化钢板插入件被磨平并位于轴承锻造圈的内侧。因此，座圈22、42和62是钢丝座圈，每个钢丝座圈都是可更换的，并与内圈组件30或外圈组件50分开。

本发明的优选实施例还包括内置在轴承组件10中的副径向轴承或定中心器82。副径向轴承/定中心器82优选地是下密封环80的一部分并连接到内圈组件30。优选的是，包括定中心器82的下密封环80由青铜滑动轴承材料制成。副径向轴承/定中心器82与下外圈58具有足够的径向间隙，使得在径向排组件60的正常操作期间，定中心器82不是被径向加载的；然而，在轴承组件10的原位修复(将在下文中讨论)期间，定中心器82保持内径向座圈62i与外径向座圈62o基本同心，并对径向载荷作出反应。上密封环84包含弹性密封件，该弹性密封件在提升滚子44上方在上内圈36与上外圈56之间形成流体密封。上密封环84和下密封环80限定单个密封的润滑容积部，滚子轴承组件10停留在该润滑容积部中。

参见图2和图3，在优选实施例中，支撑滚子24位于定中心器82上方的一高度处，并且径向滚子64位于支撑滚子24上方的一高度处。另外，提升滚子44优选地位于径向滚子64上方的一高度处。

当前，在外部转台中，不存在从滚子轴承组件10的外径接近触及轴承组件10的空间。在本发明的优选实施例中，空间90(图1)设置在滚子轴承组件10的外径的外侧，从而通过移除外圈56和57能接触滚动元件。

参见图3，优选的是，下外圈58和中间外圈57的与支撑排组件20邻近的水平界面稍低于支撑滚子24的底部。这有助于如下讨论的支撑滚子24的原位更换。

当需要更换一组或多组滚动元件时，移除外圈双头螺栓54和螺母52，并且移除上外圈56并将其存放在上方。如图2和图3最佳地示出，在移除上外圈56的情况下，提升滚子44、座圈42和保持架46是可接触和可移除的。

优选的是，如图3所示，径向排组件60的内座圈62i向外延伸到内圈组件30的位于内座圈62i上方的最外径向面对表面30o之外。更优选的是，径向排组件60的外座圈62o也向内延伸到超出外圈组件50的位于外座圈62o上方的最内径向面向表面50i(图2)之外。以这种方式，在移除上外圈56之后，可以移除径向滚子64。可能需要沿径向“推动”转台，以允许从径向排组件60移除未加载的径向滚子。

过去，更换径向滚子64的主要问题之一是：使内径向座圈62i在外径向座圈62o内保持居中，并且在径向滚子64被移除时对径向载荷作出反应。在本发明中，这由副径向轴承/定中心器82处理。在移除径向滚子64之后，副径向轴承/定中心器82对径向载荷作出反应，并且保持内径向座圈62i与外径向座圈62o基本同心，优选地在约1mm内。

如果在径向滚子64之间存在间隔件(未示出)，则该间隔件也可以与径向滚子64一起被移除。如果存在径向保持架(未示出)，则将该径向保持架移除，以允许接触径向滚子64。

为了移除和更换支撑滚子24、保持架26和座圈22，必须移除中间外圈57。当中间外圈57是整体的连续环时，需要移除径向滚子64以便升高并移除中间外圈57。也优选的是，在移除各个中间外圈段57a之前移除径向滚子64。

为了移除和更换支撑滚子24、保持架26和座圈22，转台12被升降系统92(图4)提升，以从主支撑滚子24中移除载荷，并为移除提供竖直空间。这仅需要将转台12提升几毫米。图4中所示的升降系统92包括多个千斤顶94(其优选为液压千斤顶)，千斤顶94定位在内圈双头螺栓32的下方，并被支撑在负载支撑构件96上，优选地被支撑在船舶的转台支撑结构14的一体环上。多个千斤顶94的上端可以与下内圈螺母34接合，并向转台结构12施加向上的力。在优选实施例中，多个千斤顶94被同时激励，以相对于下外圈58提升轴承内圈组件30和转台12。应该理解的是，作为选择，可以通过其他合适的方式完成提升转台12。在提升过程期间并且当转台12被提升的同时，转台将是被旋转锁定的，并且船舶具有用于船舶的航向控制的外部装置。

通过使下外圈58与中间外圈57之间的水平接头位于主支撑滚子24的底部附近(但优选地稍低于该底部)，当中间外圈57或中间外圈段57a被移除时，如图5所示，易于接触到主支撑滚子24、保持架26和座圈22。通过升降系统92将转台12提升几毫米还使内圈组件30相对于下外圈58升高，以从支撑滚子24上移除竖直载荷并增加支撑座圈22之间的间距，从而允许保持架26与支撑滚子24一起被移除和更换。优选的是，在这种修复中也可以更换座圈22，使得所有耐磨损的滚动元件都具有新的滚动表面。在支撑排组件20的这种提升和修复期间，定中心器82保持与下外圈58接合。

应当理解的是，钢座圈插入件22、42和62可以是分段的，并且优选地长约1米至1.5米。

以基本相反的顺序重新组装三排滚子轴承组件10。优选地在新的支撑座圈22安装在下外圈58和下内圈38中的状态下，将支撑排组件20与新的支撑滚子24和保持架26组装在一起。通过操纵升降系统92，转台12和内圈组件30相对于下外圈58降低，以将竖直载荷置于支撑滚子24上。定中心器82继续对径向载荷作出反应，并保持内径向座圈62i与外径向座圈62o基本同心。

可以将新的内径向座圈62i和外径向座圈62o分别安装在下内圈38和中间外圈57中。把中间外圈57(或圈段57a)安装在下外圈58的顶部上，并且把径向滚子64(如果存在间隔件或保持架，则其包括间隔件或保持架)安装在内径向座圈62i与外径向座圈62o之间。在安装径向滚子64之后，径向载荷通过径向滚子64而不是通过定中心器82传递。

可以将新的提升座圈42安装在下内圈38和上外圈56中。在提升保持架46与滚子44一起被定位在下提升座圈42上的情况下，可以使上外圈56定位在中间外圈57的顶部上，并且安装外圈双头螺栓54和螺母52。

虽然已经参考具体实施例详细描述了本发明，但应该理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对所公开的实施例进行修改和变型。本文旨在涵盖所有这些修改和变型。另外，本文引用的所有公开都表示本领域的技术水平，并且其全部内容通过引用并入本文，如同每个公开通过引用单独并入本文并被完全阐述。