1500噸起重船起重系統(tǒng)設計

摘要：本文著重介紹了起重船起重系統(tǒng)的特點，并對起重設備選型需考慮的主要問題做了簡要論述。

關鍵詞：起重系統(tǒng)；有限元分析；起重設備選型

1 前言

隨著海洋開發(fā)的深入發(fā)展，海上工程、海上救助、港口、碼頭、橋梁建設等吊裝的需求日益增長，大型起重船的作用越來越重要，作為海上建設項目、打撈作業(yè)中不可替代的裝備，近幾年來有了非常快的發(fā)展，起吊能力不斷加大，作業(yè)能力不斷增強，作業(yè)區(qū)域從沿海港口向近海及遠海發(fā)展。

2 船舶概況

本船為單連續(xù)甲板、鋼質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)、自航、固定變幅式起重船，最大起吊能力1 500 t，主鉤最大起升高度為75 m，副鉤起升高度為82 m，主要用于我國沿海地區(qū)海域進行起吊作業(yè)，拖帶航行航區(qū)為近海航區(qū)。

3 起重系統(tǒng)設計

起重系統(tǒng)主要由吊臂、人字架、主鉤起升機構(gòu)、副鉤起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、電氣系統(tǒng)及安全裝置組成。

3.1 作業(yè)環(huán)境條件

（1） 船舶最大橫傾5°，最大縱傾2°；

（2） 港口或遮蔽水域環(huán)境條件；

（3） 風速不超過20 m/s，相應風壓不超過250 Pa；

（4） 起重荷載的運動不受外力的制約。

3.2 工作狀況

起重機作業(yè)時，主鉤起升機構(gòu)、副鉤起升機構(gòu)與變幅機構(gòu)只能單獨工作，只有在空載時主鉤起升機構(gòu)與變幅機構(gòu)、副鉤起升機構(gòu)與變幅機構(gòu)可同時工作。在過橋狀態(tài)、避風及調(diào)遣拖航時，所有吊鉤均被收藏在船舶首部甲板上并加以固定。

3.3 起重構(gòu)架強度計算

起重構(gòu)架主要是首部的A型吊臂和尾部人字架。

固定變幅式大型起重船吊臂主要有三種形式：桁架（組合桿）形式、箱型梁形式和圓柱形式。因為本船吊臂長度較長，約88 m，吊臂自重會產(chǎn)生較大的垂向彎矩，而橫向載荷較小，對吊臂繞水平軸的慣性矩要求要比繞垂直軸的慣性矩大得多，因此本船不推薦使用圓柱形式。對于桁架（組合桿）形式和箱型梁形式，經(jīng)有限元直接計算都滿足規(guī)范要求，但箱型梁吊臂結(jié)構(gòu)在重量上比桁架（組合桿）吊臂結(jié)構(gòu)重了許多，這會引起其余起重設備的重量增加，并且受風面積較大，對本船穩(wěn)性不利，因此本船最終選用桁架（組合桿）形式。尾部人字架的結(jié)構(gòu)形式為箱型結(jié)構(gòu)，與船體焊接施工方便。

作為力的主要承載構(gòu)件之一，吊臂結(jié)構(gòu)強度能否滿足要求是非常關鍵的，尤其是在擱置狀態(tài)下，吊臂承受船舶傾斜、船舶運動所產(chǎn)生的力和風的作用力時的船舶運動載荷，已經(jīng)很難用經(jīng)驗公式得出，本船采用大型通用有限元軟件MSC.Patran（2005 r2）、MSC.Nastran分析計算了A型吊臂及人字架結(jié)構(gòu)強度。計算過程及結(jié)果分析主要根據(jù)CCS《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》（2007）進行。按擱置狀態(tài)、作業(yè)狀態(tài)、過橋狀態(tài)等工況進行強度計算，其結(jié)果都滿足規(guī)范要求。

吊臂頭和底部箱型結(jié)構(gòu)板材采用高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼，其鋼材等級為DH36。吊臂中部桁架結(jié)構(gòu)管材采用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，主弦管材質(zhì)為Q550，其他管材質(zhì)為Q345。人字架采用高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼，其鋼材等級為DH32。

吊臂與安裝座采用大銷軸連接，銷軸材料為42CrMo鍛件，軸套采用銅錫磷青銅。

3.4 起重設備選型

3.4.1 鋼絲繩的選型

鋼絲繩對起重機使用的安全性具有決定性影響，鋼絲繩的選擇包括鋼絲繩結(jié)構(gòu)型式的選擇和鋼絲繩直徑的確定。鋼絲繩受力復雜，除拉伸外，當鋼絲繩繞過滑輪和卷入卷筒時，在鋼絲中還產(chǎn)生彎曲應力和接觸應力，外層鋼絲繩應力最大，疲勞損壞由外層鋼絲開始。增大滑輪與鋼絲繩的直徑比，減小鋼絲繩承受的拉力，能提高鋼絲繩的使用壽命。在設計鋼絲繩卷繞系統(tǒng)時，應盡量避免鋼絲繩正反向彎折，從對鋼絲繩壽命的影響程度而言，正反向彎折一次等同于同向彎折兩次。繞經(jīng)滑輪和卷筒的鋼絲繩應優(yōu)先選用線接觸鋼絲繩。鋼絲繩破斷負荷的安全系數(shù)n按規(guī)范要求，不小于3，但也不必大于5，所選用的鋼絲繩破斷負荷與絞車額定拉力的比值要大于安全系數(shù)n。

本船配主鉤鋼絲繩2根，每根繩長為2500 m，6x36 WS，直徑Φ52。副鉤鋼絲繩2根，每根繩長為2100 m，6x36WS，直徑Φ42。變幅鋼絲繩1根，繩長為8400 m，6x36WS，直徑Φ64。

3.4.2 滑輪組的選型

滑輪用來支撐鋼絲繩，平衡鋼絲繩分支的拉力，并能改變鋼絲繩的走向，組成滑輪組，達到省力或增速的目的。在起升機構(gòu)中選取滑輪組的倍率是比較重要的，它對起升機構(gòu)的總體尺寸影響較大。當倍率增大時，鋼絲繩所受拉力減小，鋼絲繩直徑、卷筒和滑輪直徑也都減小，在起升速度不變時，需提高卷筒轉(zhuǎn)數(shù)，即減小機構(gòu)傳動比，然而事物是一分為二的，倍率增加勢必會增加鋼絲繩的長度及卷筒的長度，并會使滑輪組本身體積和重量增大，同時也會降低效率，加速鋼絲繩的磨損。所以在確定倍率時，一定要結(jié)合幾個方面的因素綜合來考慮?；喰褪街饕譃殍T鐵和軋制兩種，早期采用鑄鐵滑輪較多，現(xiàn)代大型起重船較多的采用軋制滑輪，制造方式相對簡單，制造功效高。滑輪直徑（量自索槽底部）與繩索直徑比，規(guī)范要求不小于19，本船主鉤、副鉤滑輪組的直徑比取為24，變幅滑輪組的直徑比取為19.5。

本船配主鉤2只，額定起吊重量2×750 t，采用“山”字形鉤，采用單排雙聯(lián)滑輪組，滑輪為軋制滑輪，定滑輪由13只滑輪組成，動滑輪由14只滑輪組成。配副鉤2只，額定起吊重量2×300 t，定滑輪由8只滑輪組成，動滑輪由9只滑輪組成。變幅系統(tǒng)采用分開的形式，由尾部人字架兩側(cè)的變幅定滑輪組（12只）和吊臂頭部的動滑輪組（12只）組成。

3.4.3 絞車的選型

起貨絞車作為起重船提供動力的主要設備，起著重要的作用，要確定起貨絞車的額定拉力，必須要先明確額定安全工作負荷、吊鉤自身重量及吊高超過一定高度時鋼絲繩的重量，之后根據(jù)滑輪組的鋼絲繩繞法形式及滑輪總數(shù)計算得出，這其中還要考慮到經(jīng)過導向滑輪的摩擦系數(shù)。根據(jù)吊鉤起吊速度及滑輪總數(shù)，可以確定絞車的額定繩速。

變幅絞車確定則較復雜，要在所有設備重量，包括吊臂、主鉤滑輪組、副鉤滑輪組、變幅滑輪組，以及零部件等的重量確定之后，才能根據(jù)起重系統(tǒng)受力圖解初步得出。在設計過程中設備的計算與選型，往往需要多次修改，才能得到比較滿意的結(jié)果。

絞車驅(qū)動形式主要分為液壓驅(qū)動和電力驅(qū)動。液壓驅(qū)動的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在投入成本低、操作簡單、使用壽命長；電力驅(qū)動的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在效率高、調(diào)速性能優(yōu)、自動化程度高等。

絞車液壓驅(qū)動與電力驅(qū)動的比較，見表1。

根據(jù)表1對比，起貨絞車液壓驅(qū)動與電力驅(qū)動各有優(yōu)缺點，在現(xiàn)代大型起重船中都有不少應用，因為本船起貨時要2只主鉤同時工作或2只副鉤同時工作，采用電動變頻會更好的保證同步要求，因此本船采用的起貨絞車為電動變頻驅(qū)動。

本船配備主鉤絞車4臺，工作負載500 kN ，額定繩速13 m/min，鋼絲繩直徑Φ52，卷筒容繩量1 200 m。副鉤絞車4臺，工作負載300 kN ，額定繩速13.5 m/min，鋼絲繩直徑Φ42，卷筒容繩量900 m。變幅絞車2臺，工作負載900 kN ，額定繩速10 m/min，鋼絲繩直徑Φ64，卷筒容繩量1300 m。

3.5 起重設備布置

起重設備布置在起重船上起著關鍵的作用，首先在船體主要參數(shù)確定后，根據(jù)設計任務書中要求的起重量、起吊高度（吊鉤鉤環(huán)中心至滿載水線）、兩主鉤間距離、兩副鉤間距離及舷外跨距等，可以確立A型吊臂總長度、吊臂頭形式及吊臂兩腿安裝底座之間的初步距離。人字架位置盡可能與A型吊臂遠離，以減小變幅鋼絲繩的拉力及變幅絞車的額定拉力。鋼絲繩的纏繞和走向也是非常關鍵的，首先要確定導向滑輪的位置，鋼絲繩出入滑輪繩槽的偏離角不能大于5°，以免繩槽側(cè)壁受到較大橫向力作用，使槽口損壞或使鋼絲繩脫槽。在布置絞車時，對于光卷筒無繩槽多層卷繞卷筒，當未采用排繩器時，鋼絲繩中心線與卷筒軸垂直平面的偏離角度不應大于1.7°，以免發(fā)生鋼絲繩纏繞現(xiàn)象，本船因鋼絲繩長度很長，絞車容繩量很大，并且主甲板面積有限，所以對于主鉤、副鉤及變幅絞車采用了排繩器裝置，偏離角度可達到4°。

3.6 變頻控制系統(tǒng)及監(jiān)測報警系統(tǒng)

起重設備采用變頻調(diào)速進行控制，由主機帶軸帶發(fā)電機組并通過移相變壓器供電給變頻器，變頻器輸出供電給各種絞車電動機，控制變頻器的輸出電壓相序和頻率變化，起到改變電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的變化，實現(xiàn)無級可逆調(diào)速。重載下降制動時，電動機的發(fā)電反饋能量經(jīng)變頻器輸入到電阻箱中，能量轉(zhuǎn)換成熱量。變頻調(diào)速柜中設有PLC，按控制方式、連鎖方式和安全保護要求進行編程，PLC與變頻調(diào)速器及液晶屏之間通過總線通訊，能全面實時監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

起重設備控制監(jiān)測報警系統(tǒng)控制臺安裝于駕駛室，變頻調(diào)速裝置與PLC 及監(jiān)控裝置之間采用Profibus-DP 總線通訊，能快速控制和監(jiān)視設備運行狀態(tài)?？刂婆_上設有安全保護裝置、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)、風速儀復示器等設備，采用PLC實施整機的邏輯控制、安全保護與連鎖以及故障診斷和狀態(tài)監(jiān)視等，還可以在控制臺上操作各起重絞車和變幅機構(gòu)的運行。

3.7 主、副鉤起重性能曲線

本船主、副鉤起重曲線如圖2所示。

4 結(jié)論

本船通航于24 m高度以下的各類大橋，是通航高度很低的大型起重船，設計中解決了許多技術難題，取得了很好效果。起重構(gòu)件及零部件的強度計算方法，設備的選型與計算，和以往同類產(chǎn)品相比，有所提高及突破，可為今后同類型的大型起重船提供了借鑒與參考。