600t全回轉(zhuǎn)風(fēng)電安裝起重機(jī)設(shè)計(jì)

蔣克勤

江蘇省無(wú)錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校

600t全回轉(zhuǎn)風(fēng)電安裝起重機(jī)設(shè)計(jì)

蔣克勤

江蘇省無(wú)錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校

本文介紹了600t海上風(fēng)電設(shè)備安裝起重機(jī)的性能參數(shù)、部件組成、設(shè)計(jì)計(jì)算、安裝步驟。

600t；浮吊；設(shè)計(jì)計(jì)算

1.引言

當(dāng)今世界面臨環(huán)境惡化、溫室效應(yīng)、石油資源枯竭等一系列問(wèn)題。開(kāi)發(fā)綠色能源已成為世界各國(guó)的一致共識(shí)，風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源的一種，擁有很大的開(kāi)發(fā)潛能。此臺(tái)600t起重機(jī)是專(zhuān)為海上風(fēng)力發(fā)電安裝需要而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的起重機(jī)，可以滿(mǎn)足3MW～5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整體海上按裝需要。

圖1.600t全回轉(zhuǎn)起重機(jī)結(jié)構(gòu)

表1.600t起重機(jī)吊載能力表格

2.主要結(jié)構(gòu)形式

本項(xiàng)目如CCS級(jí)，最大起重量600t(幅度24m)，500t(幅度28m)。主鉤幅度28m時(shí)起升高度距甲板面68m。其主要結(jié)構(gòu)件包括臂架、人字架、底盤(pán)、回轉(zhuǎn)軸承和圓筒體結(jié)構(gòu)，圓筒體結(jié)構(gòu)與船體對(duì)接，如圖1。

工作時(shí)，先將臂架起升至工作角度，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使吊機(jī)轉(zhuǎn)至工作區(qū)域，隨后使用起升機(jī)構(gòu)完成所需起升作業(yè)。由于起重機(jī)在拖航工況時(shí)要求抵御55m/s的強(qiáng)風(fēng)和橫向縱向各1g的加速度，故在船體尾部設(shè)立錨定裝置，以減少回轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)件重量。

2.1 臂架

臂架采用4弦管桁架鋼結(jié)構(gòu)，主弦管采用Q690D卷制直縫管，副管采用Q345C無(wú)縫管。根部鉸點(diǎn)距離主鉤定滑輪65m，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了載荷及其可能產(chǎn)生的偏載和沖擊。頭部鵝頸安裝有150t副鉤和15t索具鉤，增加了起重機(jī)使用的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 人字架

人字架采用整體焊接式結(jié)構(gòu)，有效地減輕了結(jié)構(gòu)重量。前片受壓采用箱體結(jié)構(gòu)，后片受拉采用工字梁結(jié)構(gòu)。拉桿與壓桿之間采用連系梁連接，增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)多個(gè)支腿與底盤(pán)連接使得底盤(pán)受力均勻。人字架頂部安裝有變幅纏繞定滑輪組。

2.3 底盤(pán)

回轉(zhuǎn)底盤(pán)是整個(gè)起重機(jī)的回轉(zhuǎn)支承，上部前段采用箱體結(jié)構(gòu)，后段采用工字梁結(jié)構(gòu)；下部采用圓筒法蘭結(jié)構(gòu)與回轉(zhuǎn)支撐軸承連接。底盤(pán)上設(shè)有機(jī)器房，內(nèi)部安裝有各個(gè)絞車(chē)和所需電控設(shè)備，底盤(pán)前端設(shè)有輔助絞車(chē)平臺(tái)，安裝有兩臺(tái)貨物控制絞車(chē)，以便于在今后使用時(shí)控制貨物姿態(tài)。底盤(pán)筒體結(jié)構(gòu)上設(shè)有回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支撐架，其安裝于吊機(jī)左右兩側(cè)，有效的避免了由于吊載產(chǎn)生的整機(jī)位移所導(dǎo)致的回轉(zhuǎn)大小齒輪之間的背隙的變化。

2.4 錨定裝置

錨定裝置下部為支撐結(jié)構(gòu)件，頂端安裝有楔塊滑移裝置。拖航時(shí)使用液壓油缸將滑塊頂入滑槽之中，固定配重箱。

3.設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 性能參數(shù)

設(shè)計(jì)溫度：-10℃；固定作業(yè)時(shí)，船舶最大橫傾2°、縱傾2°；回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，船舶最大橫傾5°、縱傾2°；主鉤尾吊：600t@24m，500t@ 28m；主鉤回轉(zhuǎn)：500t@22m，400t@28m；副鉤吊重：150t@50m，50t@ 70m；索具鉤：15t；詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 有限元單元模型的選擇

計(jì)算中共用了3種類(lèi)型單元：梁?jiǎn)卧狟EAM44，桿單元LINK8，質(zhì)量單元MASS21。

有限元模型建立及單元?jiǎng)澐忠?jiàn)圖2。

圖2.有限元模型示意圖

3.2.1 梁?jiǎn)卧狟EAM44

BEAM44是具有拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲功能的單軸單元。該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度：節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的x、y、z方向的平動(dòng)和繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。該單元允許其每一端有不同的不對(duì)稱(chēng)幾何形狀，并且允許其端節(jié)點(diǎn)從梁的中心軸偏移。示意圖見(jiàn)圖3。

圖3.梁?jiǎn)卧狟EAM44示意圖

3.2.2 桿單元LINK8

LINK8這種三維桿單元是桿軸方向的拉壓?jiǎn)卧?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系x、y、z方向的平動(dòng)。本單元不承受彎矩，但具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力鋼化、大變形、大應(yīng)變等功能。示意圖見(jiàn)圖4。

圖4.桿單元LINK8示意圖

3.2.3 質(zhì)量單元MASS21

MASS21是有多至6個(gè)自由度的點(diǎn)單元：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系x、y、z方向的平動(dòng)和繞x、y、z軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)坐標(biāo)軸方向可以分配不同的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。示意圖見(jiàn)圖5。

圖5.質(zhì)量單元Mass21示意圖

3.3 載荷與參數(shù)

3.3.1 風(fēng)載荷

工作工況，風(fēng)速20m/s：q=0.613v2=0.613x202=245N/m2；拖航工況，風(fēng)速55m/s：q=0.613v2=0.613x552=1854N/m2。

3.3.2 作業(yè)系數(shù)

浮式起重機(jī)ψd=1.05。

3.3.3 起升沖擊系數(shù)

ψh=1+CV，對(duì)于臂架式起重機(jī)C=0.3。主鉤：ψh=1+0.3x2.5/60= 1.01，取ψh=1.1；副鉤：ψh=1+0.3x7.0/60=1.04，取ψh=1.1；索具：ψh=1+ 0.3x30/60=1.15，取ψh=1.25。

3.3.4 船舶運(yùn)動(dòng)載荷（拖航工況）

垂直于甲板的加速度±1.0g；前后方向平行于甲板或橫向平行于甲板加速度±0.5g；靜橫傾30°；風(fēng)速55m/s，作用于前后方向或橫向。

3.4 材料選用

本項(xiàng)目臂架材料選用Q690D和Q345C，其余主要結(jié)構(gòu)件鋼板采用船板焊接制作，人字架部分主要部件采用Q690D，回轉(zhuǎn)軸承上下支撐法蘭面采用S355NL，滑輪軸、鉸點(diǎn)軸材料選用42CrMo和35CrMo，吊鉤鍛件采用DG20Mn，其余鍛件部分采用16Mn。

3.5 許用應(yīng)力

根據(jù)CCS《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》起重機(jī)結(jié)構(gòu)件的許用應(yīng)力[σ]由下式算得：

式中：σs—鋼材屈服強(qiáng)度，MPa；

σb—鋼材抗拉強(qiáng)度，MPa；

n—安全系數(shù)，按工況分類(lèi)，由表2選??；

β—系數(shù)，根據(jù)鋼材屈強(qiáng)比，由表3選??；

表2.安全系數(shù)

表4.整機(jī)結(jié)構(gòu)受力有限元分析結(jié)果

3.6 工況分類(lèi)

工況1：起重機(jī)處于無(wú)風(fēng)工作狀態(tài)，包括主鉤固定工作、主鉤回轉(zhuǎn)工作、副鉤回轉(zhuǎn)工作；工況2：起重機(jī)處于有風(fēng)工作狀態(tài)，風(fēng)載荷分別沿船體橫向和縱向加載，包括主鉤固定工作、主鉤回轉(zhuǎn)工作、副鉤回轉(zhuǎn)工作；工況3：起重機(jī)處于拖航狀態(tài)，臂架水平放置于擱架之上，主副鉤均被置于擱架內(nèi)，尾部錨定裝置工作，風(fēng)載荷分別沿船體橫向和縱向加載，工況4：起重機(jī)處于試驗(yàn)狀態(tài)。

3.7 計(jì)算結(jié)果分析

在各個(gè)不同的工況下對(duì)起重機(jī)模型進(jìn)行加載，得到起重機(jī)各部分的軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和總應(yīng)力，評(píng)估結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度，應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。由計(jì)算結(jié)果得出在工作工況下，最大應(yīng)力發(fā)生在臂架主弦管；在拖航工況下，最大應(yīng)力發(fā)生在回轉(zhuǎn)底盤(pán)；整個(gè)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足所需要的強(qiáng)度要求。

4.起重機(jī)安裝與使用

具體安裝步驟：吊裝圓筒體和臂架擱架；吊裝回轉(zhuǎn)軸承；吊裝底盤(pán)與人字架總成；吊裝臂架；穿各個(gè)纏繞系統(tǒng)鋼絲繩；安裝附件和整機(jī)調(diào)試與吊重試驗(yàn)。