多功能環(huán)梁升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳 峰，陸 軍，喻 祥

（廣東東軟學(xué)院，廣東佛山 528234）

0 引言

定位樁升降系統(tǒng)在國外海工行業(yè)已經(jīng)有十分廣泛的應(yīng)用，特別在大負(fù)載、大尺寸平臺(tái)升降領(lǐng)域，但其研究方向大多是如何解決定位樁快速升降以及如何解決升降系統(tǒng)同步，并未考慮拖航時(shí)的工作效率等問題[1]。因此，本文在此研究基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計(jì)可拆解的四邊形環(huán)梁結(jié)構(gòu)，通過同步運(yùn)動(dòng)的橫梁來取代原有圓形環(huán)梁結(jié)構(gòu)，在拖航時(shí)拆解四邊形環(huán)梁，解除升降系統(tǒng)對定位樁鎖定功能，同時(shí)通過側(cè)向拉力驅(qū)動(dòng)油缸將定位樁水平放置，從而達(dá)到傾倒定位樁，降低定位樁重心的目的。

本文以某海洋平臺(tái)為例，通過研究多功能環(huán)梁升降系統(tǒng)的主要組成部分，分析可降低定位樁重心的升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及各零部件所需要達(dá)到的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而解決傾倒定位樁，降低定位樁重心等問題，既可以實(shí)現(xiàn)自升式平臺(tái)的升降，又可以降低定位樁的重心，同時(shí)還能傾倒定位樁。這樣不僅可以縮短疏浚船舶和海洋工程船舶的施工準(zhǔn)備時(shí)間，而且簡化了安裝工藝，改善了船舶在拖航過程中的受力狀況，從而增加了船舶在拖航過程中的穩(wěn)定性，大大提高船舶施工作業(yè)效率[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文以海上自升式平臺(tái)為研究對象，開展了可傾倒定位樁升降系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)了升降單元和液壓—電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，本文研究的定位樁升降系統(tǒng)主要參數(shù)如下：單樁額定舉升載荷為150 t；單樁預(yù)壓載荷為200 t；單樁風(fēng)暴支持載荷為300 t；升降平臺(tái)速度為9 m/h；升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)升降次數(shù)不小于2 000次。

從技術(shù)性能參數(shù)出發(fā)，升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以分為以下幾個(gè)方面：（1）升降單元，負(fù)責(zé)平臺(tái)升降；（2）液壓系統(tǒng)，負(fù)責(zé)給升降單元提供動(dòng)力，保證升降過程中的持續(xù)動(dòng)力；（3）電氣控制系統(tǒng)，保證升降的同步性和安全性；（4）傾倒定位樁裝置。多功能環(huán)梁升降系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 多功能環(huán)梁升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 升降單元設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工作平臺(tái)的升降方式是在樁腿上安裝升降單元，通過升降單元運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，有時(shí)還需要傾倒定位樁等操作。因此，有必要研究升降單元內(nèi)部零件可靠性，比如插銷零件的抗彎曲強(qiáng)度、提升油缸的保壓能力等。定位樁升降系統(tǒng)在國內(nèi)外海工行業(yè)已經(jīng)有十分廣泛的應(yīng)用[3]，特別在大負(fù)載、大尺寸平臺(tái)升降領(lǐng)域。本文研究設(shè)計(jì)的多功能環(huán)梁升降單元的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 多功能環(huán)梁升降系統(tǒng)示意圖

多功能環(huán)梁升降系統(tǒng)包括有配對的動(dòng)環(huán)梁、定環(huán)梁以及升降油缸，動(dòng)環(huán)梁由第一框架上梁、第二框架上梁和兩根拉桿組成，在有定位樁樁腿銷孔的兩個(gè)面上分別安裝第一框架上梁和第二框架上梁，并且，第一框架上梁和第二框架上梁通過拉桿構(gòu)成了一個(gè)封閉的空間，定位樁垂直安裝在該閉合空間內(nèi)，通過拉桿和其他輔助傾倒裝置可使定位樁水平擱置；下環(huán)梁由第一框架下梁和第二框架下梁組成固定在動(dòng)環(huán)梁的正下方，同時(shí)，這4個(gè)框架梁中都有1個(gè)插銷油缸裝置，控制系統(tǒng)可控制插銷插入對應(yīng)定位孔，實(shí)現(xiàn)與定位樁的固定。

2.1.1 動(dòng)、定環(huán)梁

第二天，全城的媒體都在報(bào)道得這起觸目驚心的寄尸案，當(dāng)然是邊峰所在的《江城快報(bào)》報(bào)道得最為詳盡，他甚至詳細(xì)披露了死者腎臟丟失以及臟器中有“卍”型標(biāo)，甚至兇手可能把作案用車遺留火車站停車場等細(xì)節(jié)，這是其他媒體所不能比的，結(jié)果這一天的《江城快報(bào)》脫銷。

按《海上移動(dòng)平臺(tái)入級規(guī)范》2012表3.4.2.3中規(guī)定，在靜載工況下，等效應(yīng)力安全系數(shù)為1.43；組合工況下，等效應(yīng)力安全系數(shù)為1.11。材料的性能指標(biāo)如表1所示[4]。

表1 材料性能指標(biāo)表

通過對各種環(huán)梁技術(shù)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)法分析，決定選用DH36作為環(huán)梁的材料，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，大幅度降低加工成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.1.2 升降油缸

升降油缸由耳環(huán)、缸筒、前端蓋、活塞桿、導(dǎo)向套、鎖圈等組成，如圖3所示。升降油缸兩端采用耳環(huán)加軸承的安裝方式，用于補(bǔ)償環(huán)梁與樁腿間因?yàn)殚g隙而產(chǎn)生的油缸擺動(dòng)，耳環(huán)與活塞桿采用分體式制造，在滿足安裝精度的條件下，降低了整體加工成本，缸筒的后端蓋通過螺紋與缸筒進(jìn)行配合。

圖3 提升油缸圖

2.1.3 插銷

插銷是升降系統(tǒng)的核心零件之一，在升降過程中要承受巨大的垂直作用力，在設(shè)計(jì)時(shí)采用CAE軟件輔助計(jì)算其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與屈服穩(wěn)定性。由以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來看，承載截面一般選擇圓形或正方形截面。首先用Soild works將插銷的三維圖模型建好，然后導(dǎo)入ANSYS16.1，接著設(shè)置網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)并給其施加載荷[5]。通過多次分析計(jì)算如圖4所示，最后繪制出插銷的零件圖如圖5所示。

圖4 ANSYS仿真圖

圖5 插銷結(jié)構(gòu)圖

2.2 工作原理

研究設(shè)計(jì)的環(huán)梁液壓升降裝置，當(dāng)定位樁需要上升時(shí)，動(dòng)環(huán)梁的插銷插入樁腿銷孔，同時(shí)定環(huán)梁的插銷拔出，液壓系統(tǒng)給升降油缸的無桿腔打油，推動(dòng)活塞桿伸出，從而帶動(dòng)動(dòng)環(huán)梁運(yùn)動(dòng)（升降油缸的一個(gè)單位運(yùn)動(dòng)行程為相鄰兩個(gè)定位孔之間的距離），便可讓定位樁上升兩個(gè)相鄰定位孔之間的距離；如需繼續(xù)上升定位樁，動(dòng)環(huán)梁的插銷拔出，定環(huán)梁的插銷插入，之后升降油缸縮回，然后動(dòng)環(huán)梁的插銷插入，定環(huán)梁的插銷拔出，之后升降油缸的活塞桿再次伸出至最近的一個(gè)定位銷孔，如此往復(fù)運(yùn)動(dòng)，直至定位樁上升到所需要的高度為止[6]。

當(dāng)需要降低定位樁時(shí)，定環(huán)梁插銷插入，動(dòng)環(huán)梁的插銷拔出，液壓系統(tǒng)向升降油缸無桿腔打油讓活塞桿伸出，然后動(dòng)環(huán)梁的插銷插入定位樁的定位銷孔，定環(huán)梁的插銷拔出，升降油缸的活塞桿做回程運(yùn)動(dòng)，便可降低定位樁的高度；如需繼續(xù)降低定位樁時(shí)，定環(huán)梁插銷插入，動(dòng)環(huán)梁插銷拔出，之后升降油缸伸出，動(dòng)環(huán)梁插銷插入，定環(huán)梁插銷拔出，之后升降油缸再次縮回，如此循環(huán)往復(fù)，直至定位樁下降到所需高度為止[7]。

當(dāng)船舶需要進(jìn)行拖航時(shí)，首先打開動(dòng)環(huán)梁的兩根拉桿，讓第一框架上梁和第二框架上梁分開，然后再拔出動(dòng)環(huán)梁原本插入樁腿的插銷，使定位樁脫離本環(huán)梁升降裝置的鎖緊固定，最后通過支點(diǎn)側(cè)向拉力油缸將定位樁水平擱置，如圖6所示。通過改變傳統(tǒng)環(huán)梁升降的設(shè)計(jì)思路，使其既可以實(shí)現(xiàn)自升式平臺(tái)的升降，又可以降低定位樁的重心，同時(shí)還能傾倒定位樁。這樣不僅可以縮短疏浚船舶和海洋工程船舶的施工準(zhǔn)備時(shí)間，而且簡化了安裝工藝，改善了船舶在拖航過程中的受力狀況，從而增加了船舶在拖航過程中的穩(wěn)定性，大大提高船舶施工作業(yè)效率。

圖6 新型定位樁示意圖

3 液壓—電控系統(tǒng)研究

3.1 液壓系統(tǒng)

整個(gè)液壓系統(tǒng)有1臺(tái)大液壓泵站，分別為4個(gè)樁腿提供動(dòng)力。液壓泵站的總成由主油泵電機(jī)組、液壓動(dòng)力單元、獨(dú)立液壓泵組等組成。

液壓動(dòng)力單元中配置有調(diào)壓閥和電磁溢流閥，設(shè)定系統(tǒng)限定的壓力值和卸荷回路，泵啟停時(shí)自動(dòng)卸荷，避免泵帶載啟動(dòng)與停機(jī)。液壓動(dòng)力單元布置在主甲板以下機(jī)械設(shè)備室內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該滿足層高要求，方便技術(shù)人員操作和維護(hù)[8]。液壓動(dòng)力單元還配有回油風(fēng)冷式油冷卻器和液壓油低溫電加熱器，通過溫度傳感器控制加熱器的開啟和關(guān)閉，以確保液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)可通過其檢測油溫高低，控制通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)啟停。

油箱的設(shè)計(jì)應(yīng)為碳鋼材質(zhì)，內(nèi)有耐油涂層，可保證液壓油的清潔，液壓缸內(nèi)裝有液位計(jì)、溫度計(jì)、液位繼電器、溫度傳感器，以便于液位和油溫的檢測。

3.2 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)主要包括泵站控制柜和樁邊操作箱部件。

泵站控制的具體功能有：（1）緊急停止功能。各樁腿既可以聯(lián)動(dòng)，又可以單動(dòng)，根據(jù)實(shí)際操船情況作業(yè)。（2）平臺(tái)傾斜保護(hù)功能。傾角傳感器實(shí)現(xiàn)測量平臺(tái)傾斜角度，當(dāng)平臺(tái)傾斜角度超過限定值后，進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警并停止升/降作業(yè)。（3）實(shí)現(xiàn)泵站電機(jī)的啟停、運(yùn)行指示、故障報(bào)警功能設(shè)有本地控制模式，操作者在樁旁操作箱完成操作。

4 結(jié)束語

本文以某海洋平臺(tái)為例，設(shè)計(jì)研究了多功能環(huán)梁升降系統(tǒng)的主要組成，分析了可降低定位樁重心的升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究了各零部件所需要達(dá)到的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，介紹了多功能環(huán)梁升降系統(tǒng)的工作原理和如何傾倒定位樁等，以及升降系統(tǒng)中的液壓—電控系統(tǒng)組成和主要功能。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)符合CCS相關(guān)規(guī)范要求，可為環(huán)梁液壓插銷升降設(shè)計(jì)者提供參考。