LNG 卸料臂配重平衡系統(tǒng)研究

孟凡皓，于波

連云港杰瑞自動化有限公司，江蘇 連云港 222006

天然氣是綠色、環(huán)保、安全、高效的清潔能源，近年來在我國能源消費結構中的比例不斷提升[1]。受產能限制，我國需要大量進口天然氣以滿足國內消費需求[2-3]。采用液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）方式進口天然氣的運輸成本僅為管道輸氣的1/7 左右，是當前補充國內天然氣需求缺口最有效、最經濟的方法。

LNG 卸料臂是LNG 接收站碼頭上最為核心的設備，當LNG 運輸船完成靠泊作業(yè)后，LNG卸料臂運行至LNG 運輸船集管法蘭位置并通過前端快速裝置進行連接，從而建立起LNG 運輸船與LNG 接收站儲罐間的輸送通路[4-5]。在LNG 裝卸過程中，LNG 卸料臂可隨船自由浮動，滿足不同潮位時船體晃動、漂移情況下LNG 的安全裝卸。

配重平衡系統(tǒng)是LNG 卸料臂的關鍵核心系統(tǒng)之一，其性能直接影響整機工作的安全可靠性[6-11]。通過配重平衡設計，LNG 卸料臂可在運動的各個位置保持自平衡，從而降低運動過程所需驅動力，減少對LNG 運輸船集管法蘭的作用力，同時可在動力失效情況下保持在靜止平衡狀態(tài)，防止安全事故發(fā)生[12]。

配重平衡系統(tǒng)主要有以716 所杰瑞、SVT 等公司為代表的單配重形式和以FMC 公司為代表的雙配重形式。國內相關研究主要集中在單配重平衡系統(tǒng)上，主要分析了LNG 卸料臂單配重平衡系統(tǒng)的設計要求等[6,13]；對于雙配重平衡系統(tǒng)鮮有涉及，同時缺乏原理性、系統(tǒng)性和配平程序方面的研究。本文通過理論建模，從靜力學角度分析了單配重和雙配重2 種配重系統(tǒng)的平衡機理，并針對2 種配重平衡系統(tǒng)分析了配平程序、整體質量、配重質量偏差以及鋼絲繩彈性變形等幾個方面對配重平衡的影響，對工程應用中LNG 卸料臂的配重系統(tǒng)選擇和設計提供一定指導作用。

1 LNG 卸料臂配重平衡原理

LNG 卸料臂主體結構由立柱、耳軸箱、內臂、外臂、配重5 大部分組成，通過液壓驅動實現水平回轉、內臂俯仰和外臂俯仰運動。LNG 低溫管路系統(tǒng)支撐在主體結構上，在主體結構各轉動關節(jié)處，LNG 低溫管路系統(tǒng)同軸設有旋轉接頭，實現連接管段處的動態(tài)密封。LNG 低溫管路前端通過旋轉接頭連接三維接頭，通過設計使三維接頭前端對接面在重力作用下保持在豎直狀態(tài)，即三維接頭重心過旋轉接頭的轉動中心。LNG 配重平衡的原理就是通過調整配重的質量和位置，使LNG 卸料臂內臂、外臂在工作的各個位置保持在力矩平衡狀態(tài)[6,13-14]。

1.1 單配重平衡原理

如圖1 所示，配重通過回轉支承連接在內臂尾部，外臂通過回轉支承連接在內臂的前部，配重和外臂通過鋼絲繩傳動實現同步平行轉動。假設鋼絲繩長度不會發(fā)生變化，則理論上配重與內臂之間的夾角α和外臂與內臂之間的夾角β始終保持相同。

圖1 單配重平衡系統(tǒng)原理

單配重平衡的機理為通過調整配重的質量（增減配重塊）和安裝位置（配重沿配重梁上下移動），使得配重與外臂繞各自轉動中心的力矩大小相等、方向相反，即M1=M2；內臂繞其轉動中心的總力矩為0，即M3=M4[15]。

1.2 雙配重平衡原理

如圖2 所示，雙配重平衡在單配重平衡系統(tǒng)的基礎上，在內臂后端增加了配重2，雙配重平衡的機理為通過調整配重1 的質量（增減配重塊）和安裝位置（配重沿配重梁上下移動）使得配重1 與外臂繞各自轉動中心的的力矩大小相等、方向相反，即=；通過調整配重2 的質量使內臂繞其轉動中心的總力矩為0，即=。

圖2 雙配重平衡系統(tǒng)原理

2 配重平衡系統(tǒng)建模分析

2.1 單配重平衡系統(tǒng)分析

建立單配重平衡系統(tǒng)計算模型，通過前文1.1 節(jié)分析可知，理論上配重與內臂之間的夾角α和外臂與內臂之間的夾角β始終保持相同，由此可以推出配重與豎直線之間的夾角和外臂與豎直線之間的夾角大小相同，并將該角度設為γ，則內臂與豎直線之間夾角θ=α-γ，如圖3 所示。

圖3 單配重平衡系統(tǒng)計算模型

對單配重平衡系統(tǒng)各轉動部分進行力矩計算，可得：

當內外臂保持平衡，即M1=M2、M3=M4時，經推導可得：

將式（1）代入式（2），可進一步得出：

分析可得，當滿足式（1）和式（3）時，可實現LNG 卸料臂配重系統(tǒng)平衡，系統(tǒng)平衡與運動位置和轉動角度無關，即當系統(tǒng)在任一位置平衡時，就可實現在各個運動位置保持平衡。

2.2 雙配重平衡系統(tǒng)分析

參照單配重平衡系統(tǒng)，建立雙配重平衡系統(tǒng)計算模型，如圖4 所示。

圖4 雙配重平衡系統(tǒng)計算模型

對雙配重平衡系統(tǒng)各轉動部分進行力矩計算，可得：

當內外臂保持平衡，即M1=M2、M3=M4時，經推導可得：

將式（4）代入式（5），可進一步得出：

分析可得，與單配重平衡系統(tǒng)相同，當滿足式（4）和式（6）時，可實現LNG 卸料臂配重系統(tǒng)平衡，系統(tǒng)平衡與運動位置和轉動角度無關。

3 單、雙配重系統(tǒng)對比分析

3.1 配平程序對比

根據碼頭水文參數、適配船型及工作包絡范圍，可確定LNG 卸料臂內臂前端長度l1和外臂長度l4，內臂前端質量及重心位置、外臂質量及重心位置和以及三維接頭質量隨之確定，即轉動力矩M3、M4數值確定，在三維設計軟件中，通過更改內臂后端長度l2、配重塊質量和配重塊安裝位置等，使單配重系統(tǒng)滿足式（1）和式（3），雙配重系統(tǒng)滿足式（4）和式（6），即可完成LNG 卸料臂配重平衡系統(tǒng)設計。

通過前文分析可知，系統(tǒng)平衡與運動位置和轉動角度無關，因此可通過特殊位置配平提高配重平衡系統(tǒng)的設計效率。顯而易見，內臂豎直、外臂水平和內臂水平、外臂豎直是LNG 卸料臂運動過程中的2 個特殊位置。

以單配重平衡系統(tǒng)設計為例，當θ=90°、γ=0°時，卸料臂內臂處于水平位置、外臂處于豎直位置，如圖5 所示。此時，配重塊質量對外臂平衡沒有影響，可通過增加或減少配重塊數量完成內臂配平。

圖5 卸料臂內臂水平、外臂豎直狀態(tài)

當θ=0°、γ=90°時，卸料臂外臂處于水平位置、內臂處于豎直位置，如圖6 所示。此時，通過調整配重塊在配重梁上的位置，可完成外臂配平，同時因未改變配重塊質量，內臂平衡不受影響。

圖6 卸料臂外臂水平、內臂豎直狀態(tài)

同理，雙配重平衡系統(tǒng)可采用與單配重平衡系統(tǒng)相似的步驟和方法，在內臂配平時，因有兩處可進行配重調節(jié)，配重設計更加靈活。

3.2 整體重量對比

當碼頭水文參數、適配船型及工作包絡范圍確定后，LNG 卸料臂立柱高度及質量，內臂前端質量、長度及重心位置，外臂質量、長度及重心位置和三維接頭質量也隨之確定，卸料臂整體質量主要受配重質量和內臂后端質量影響。

以某LNG 卸料臂工程項目為例，根據LNG卸料臂包絡線（工作范圍）設計，得立柱質量8 t，內臂前端質量m1=8 t，外臂質量m4=4 t，三維接頭質量m5=3.4 t，內臂前端長度L1=9.5 m，內臂前端重心至回轉中心距離=5 m，外臂長度L4=11.5 m，外臂重心至回轉中心距離=3.88 m。

按3.1 節(jié)中的配平程序，通過三維設計軟件，可得單配重平衡系統(tǒng)=2.6 m、L2=4.65 m、m2=5 t、m3=21 t、LNG 卸料臂總質量為49.4 t；雙配重平衡系統(tǒng)=2.75 m、=2.875 m、=8 t、=19 t、LNG 卸料臂總質量為50.4 t。單配重平衡系統(tǒng)質量更輕，本例中約輕2%。

3.3 配重質量偏差影響對比

實際工程應用中，配重塊的質量與理論設計值將存在一定偏差，設配重偏差為 Δm，則對單配重平衡系統(tǒng)，根據式（1）和式（3）可得單配重平衡系統(tǒng)中外臂、內臂的不平衡力矩分別為

對雙配重平衡系統(tǒng)，假設配重1 和配重2 實際值與理論值偏差為 Δm，根據式（4）和式（6），可得雙配重平衡系統(tǒng)中外臂、內臂的不平衡力矩分別為

根據式（7）～（10）可知，單配重和雙配重平衡系統(tǒng)均有當配重塊質量與理論設計值存在偏差時，外臂、內臂平衡同時被打破，其中外臂不平衡力矩與外臂與豎直線之間的夾角γ相關，當外臂處于豎直狀態(tài)時，外臂平衡，γ角度越大，外臂不平衡力矩越大；內臂不平衡力矩與內臂與豎直線之間的夾角θ、外臂與豎直線之間的夾角γ均相關，且不存在內臂平衡狀態(tài)。

根據3.2節(jié)中=2.6 m、=2.785 m、L2=4.65 m、=2.75可 知：＜，ΔMo>Δ，說明相同質量偏差下，雙配重平衡系統(tǒng)外臂不平衡力矩更大；L2>，說明在不同位置、相同質量偏差下，單配重平衡系統(tǒng)和雙配重平衡系統(tǒng)不平衡力矩大小關系不同，本例中單配重平衡系統(tǒng)不平衡力矩最大為雙配重平衡系統(tǒng)不平衡力矩的1.79 倍（θ=90°、γ=0°）。

3.4 鋼絲繩彈性變形影響對比

本文1.1 節(jié)中提到，在鋼絲繩長度不發(fā)生變化時，配重與內臂之間的夾角和外臂與內臂之間的夾角始終保持相同。但實際情況下，鋼絲繩在受力時會發(fā)生彈性變形，此時會導致配重與內臂之間的夾角大于外臂與內臂之間的夾角，設角度偏差為 Δγ。同時為防止鋼絲繩受力后發(fā)生永久形變，在鋼絲繩安裝前需在最大作用力下進行預拉伸。

當θ=0°、γ=90°時（如圖6 所示），外臂及三維接頭重力作用點距離回轉中心力臂最大，鋼絲繩所需提供的驅動扭力矩最大，即鋼絲繩受力最大，將3.2 節(jié)中的案例參數（鋼絲繩傳動力臂為r=1.5 m）代入可得，單配重和雙配重系統(tǒng)的鋼絲繩最大作用力相同，均為

設2 種配重平衡系統(tǒng)采用52 mm 鋼絲繩，通過拉力機對鋼絲繩延伸率進行測試，如圖7 所示。測試結果表明，在36.4 kN 力作用下，鋼絲繩延長約為 Δl=6 mm。對單配重和雙配重系統(tǒng)均有

圖7 鋼絲繩拉力測試

由三角函數可得，當Δγ 很小時，sin(γ+Δγ)≈sinγ，鋼絲繩彈性形變對配重平衡系統(tǒng)影響很小。

4 結論

本文通過對LNG 卸料臂單配重平衡系統(tǒng)和雙配重平衡系統(tǒng)進行建模和對比分析，得出結論如下：

1）LNG 卸料臂配重平衡與運動位置和轉動角度無關，可通過內臂豎直、外臂水平和內臂水平、外臂豎直2 個特殊位置配平提高配重平衡系統(tǒng)的設計效率；

2）單配重和雙配重在配平程序、配重質量偏差影響、鋼絲繩彈性變形影響方面具有很強的相似性，單配重平衡系統(tǒng)具有結構簡單、質量更輕的優(yōu)點。