超大型鵝頸式岸邊集裝箱起重機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

曾 鵬 郭新林 孫亞平 張 帥

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)岸橋）是港口集裝箱碼頭前沿的關(guān)鍵裝卸設(shè)備，主要作為岸邊集裝箱船舶、車(chē)輛進(jìn)行裝卸作業(yè)的專(zhuān)用起重機(jī)[1]。某些集裝箱碼頭由于地理?xiàng)l件限制建在機(jī)場(chǎng)附近，出于當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)要求和安全考慮，對(duì)碼頭起重設(shè)備的高度有嚴(yán)格的限制，隨著船舶的大型化，如何在高度受限制情況下使用盡可能大的起升高度和大前伸距的低姿態(tài)岸橋成為了此類(lèi)用戶(hù)的迫切需求[2]。

本文是基于意大利鵝頸式岸橋（見(jiàn)圖1）和西班牙鵝頸式岸橋項(xiàng)目，研究和總結(jié)了超大型鵝頸式岸橋的一些關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用。

1 設(shè)計(jì)要求和技術(shù)參數(shù)

意大利鵝頸式岸橋是新型產(chǎn)品，也是世界上最大規(guī)格的鵝頸式岸橋，其主要參數(shù)為：前伸距70 m，后伸距18 m，吊具下額定起重量65 t，軌距27 m，軌上起升高度50 m、大梁最大俯仰角70°，單程俯仰時(shí)間6 min。此項(xiàng)目采用自行式小車(chē)，航空限高90 m，由于用戶(hù)碼頭海側(cè)許用輪壓較小，用戶(hù)對(duì)整機(jī)質(zhì)量控制非常嚴(yán)格，成品后有稱(chēng)重要求。因此，在滿(mǎn)足基本設(shè)計(jì)要求的同時(shí)還需輕量化設(shè)計(jì)，整機(jī)結(jié)構(gòu)布置如圖2 所示。

圖1 意大利超大型鵝頸式岸橋

圖2 意大利鵝頸式岸橋結(jié)構(gòu)布置圖

西班牙鵝頸式岸橋相比于意大利鵝頸式岸橋的最大區(qū)別在于限高更低，只有76.5 m，大梁俯仰角度更小，最大46°，導(dǎo)致前大梁后段短很多，整機(jī)布置如圖3所示。

圖3 巴塞羅那鵝頸式岸橋結(jié)構(gòu)布置圖

2 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 前大梁分段與四連桿系統(tǒng)布置

岸橋采用雙箱梁、折邊矩形截面，分為前后兩段，采用四連桿式俯仰機(jī)構(gòu)，工作和俯仰采用兩套獨(dú)立的拉桿系統(tǒng)，工作拉桿布置在大梁外側(cè)，俯仰連桿布置大梁內(nèi)側(cè)，岸橋正常工作時(shí)，俯仰連桿系統(tǒng)不參與受力，受力分工較為明確，互不干涉（見(jiàn)圖4）。

圖4 前大梁截面與拉桿和連桿布置

前大梁分段需綜合考慮最大俯仰角度、限高要求、以及大梁、拉桿和四連桿的受力合理性。通常，設(shè)計(jì)時(shí)要在限高范圍內(nèi)盡可能加長(zhǎng)前大梁后段，減少前段的質(zhì)量，可以降低俯仰機(jī)構(gòu)和四連桿的受力。

四連桿系統(tǒng)的上部連桿采用三段式，且預(yù)放一定長(zhǎng)度。在大梁放平工作狀態(tài)時(shí)呈一定下?lián)希? 個(gè)銷(xiāo)軸中心位置呈近似平行四邊形（見(jiàn)圖5）。大梁前段三角架系統(tǒng)采用四銷(xiāo)軸設(shè)計(jì)，可保證三角架拉桿只在大梁俯仰工況下受拉，可實(shí)現(xiàn)大長(zhǎng)度拉桿設(shè)計(jì)，降低大梁的懸臂長(zhǎng)度和應(yīng)力情況。此多段多銷(xiāo)軸四連桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一方面可以降低和釋放桿自重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和變形，另一方面可以避免小車(chē)在大梁上工作時(shí)因變形導(dǎo)致連桿參與受力, 使得載荷傳遞更加明確，有效避免細(xì)長(zhǎng)桿受壓失穩(wěn)問(wèn)題。四連桿機(jī)構(gòu)采用近似平行四邊形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在俯仰過(guò)程中大梁前段基本能保持水平狀態(tài)，結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)受力相對(duì)比較平穩(wěn)。

圖5 四連桿與三角架系統(tǒng)

2.2 新型大梁鉸點(diǎn)系統(tǒng)

鵝頸式大梁鉸點(diǎn)系統(tǒng)采用主鉸點(diǎn)和鵝頸鉸點(diǎn)的雙鉸點(diǎn)形式，保證大梁在放平和仰起時(shí)均能滿(mǎn)足受力需求。

1）主鉸點(diǎn)構(gòu)造要求

主鉸點(diǎn)構(gòu)造如圖6 所示。主鉸點(diǎn)在小車(chē)軌道上方，后大梁節(jié)點(diǎn)板在外側(cè)，滑動(dòng)軸承位于外側(cè)耳板。前大梁節(jié)點(diǎn)板在內(nèi)側(cè)，前后大梁都采用雙耳板，可減小軸徑。在前后大梁耳板之間，采用高分子抗磨材料填實(shí)。

圖6 主鉸點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2)鵝頸鉸點(diǎn)構(gòu)造要求

鵝頸鉸點(diǎn)位于大梁下表面附近，前段大梁采用雙耳板，后段大梁采用單耳板，中間耳板加鋼套并加工兩個(gè)小平面進(jìn)行防轉(zhuǎn)，在耳板之間，采用高分子抗磨材料填實(shí)，保證水平側(cè)向力在前后段大梁結(jié)構(gòu)之間傳遞。鵝頸鉸點(diǎn)構(gòu)造如圖7 所示。

圖7 鵝頸鉸點(diǎn)構(gòu)造

3)鉸點(diǎn)維修要求

當(dāng)大梁仰起時(shí)，前后大梁不能干涉，主鉸點(diǎn)、鵝頸鉸點(diǎn)處小車(chē)承軌梁均采用平接頭。在兩個(gè)鉸點(diǎn)軸的上方均布置鉸點(diǎn)維修孔，可使大梁微微仰起時(shí)，穿入維修軸，使力轉(zhuǎn)移到維修軸，便于更換鉸點(diǎn)軸。主鉸點(diǎn)處大梁構(gòu)造見(jiàn)圖8，鵝頸鉸點(diǎn)處大梁構(gòu)造見(jiàn)圖9。

圖8 主鉸點(diǎn)處大梁構(gòu)造

圖9 鵝頸鉸點(diǎn)處大梁構(gòu)造

4）鉸點(diǎn)承載與磨損分析

鉸點(diǎn)軸承是主要受力部件，自潤(rùn)滑軸套為整體鋼基銅套，鋼層內(nèi)徑加工4 條環(huán)槽和8 條直槽，內(nèi)澆鑄高強(qiáng)銅合金并鑲嵌固體潤(rùn)滑劑，應(yīng)保證銅圈在任何情況下不會(huì)分離脫落。基于Ansys 有限元計(jì)算，小車(chē)帶額定載荷從最外伸距到海側(cè)上橫梁（從位置0 ～9，再?gòu)? ～0），再空載從海側(cè)上橫梁到最外伸距的一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，鵝頸鉸點(diǎn)、主鉸點(diǎn)的軸相對(duì)與軸承的滑動(dòng)轉(zhuǎn)角如圖10 所示。滑動(dòng)量分別為1.60×10-2rad、5.65×10-3rad，則400 萬(wàn)次循環(huán)時(shí)鵝頸、主鉸點(diǎn)的滑移距離為8 320 m、3 616 m。

圖10 鉸軸與軸承的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)量

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在干摩擦條件下，滑動(dòng)1 000 m 時(shí)磨損0.07 mm，故在岸橋整個(gè)400 萬(wàn)次的壽命里磨損量為0.58 mm。考慮到潤(rùn)滑條件下磨損大大降低，約為干摩擦的1/6，故磨損僅有0.1 mm。由于實(shí)際工作條件下小車(chē)不會(huì)每次都起吊額定載荷，也不會(huì)每次都從前到后全程運(yùn)行，故磨損問(wèn)題可以忽略。目前，實(shí)際使用情況良好，該型鉸點(diǎn)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

2.3 大梁錨定設(shè)計(jì)

鵝頸式岸橋通常因限高不同，大梁俯仰的角度也差別較大，導(dǎo)致非工作狀態(tài)下的大梁錨定設(shè)計(jì)需要因機(jī)型而異，有平衡桁架式大梁錨定和拉桿式大梁錨定兩種設(shè)計(jì)。

1）平衡桁架式大梁錨定設(shè)計(jì)

意大利項(xiàng)目要求大梁能進(jìn)行70°俯仰，但尚無(wú)先例，為此針對(duì)大俯仰角的鵝頸岸橋研發(fā)了一種全新的平衡桁架式大梁錨定系統(tǒng)，如圖11 所示。

圖11 平衡桁架式大梁錨方案圖

該新型錨定設(shè)計(jì)主要原理是將錨定拉點(diǎn)設(shè)于前大梁前段，在俯仰完成后利用拉樁的水平力產(chǎn)生的有利轉(zhuǎn)矩，可降低連桿系統(tǒng)在暴風(fēng)工況下的最大受力。經(jīng)對(duì)比計(jì)算，相比將拉樁點(diǎn)設(shè)置在大梁后段上可降低連桿系統(tǒng)20%左右的受力，單臺(tái)機(jī)因此可省7 t 左右的海側(cè)部分質(zhì)量，對(duì)減小海側(cè)輪壓效果十分明顯。另外，海側(cè)梯形架拉樁設(shè)計(jì)為桁架結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量輕、抗側(cè)向風(fēng)載能力強(qiáng)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

圖12 安全拉樁進(jìn)銷(xiāo)過(guò)程示意圖

此方案的進(jìn)銷(xiāo)示意圖如圖12 所示，本方案采用的兩邊導(dǎo)向、雙片單銷(xiāo)式設(shè)計(jì)，具有進(jìn)銷(xiāo)容易、平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)且易于傳遞側(cè)向力等優(yōu)點(diǎn)。

2）拉桿式大梁錨定設(shè)計(jì)

巴塞羅那項(xiàng)目限高較低，起升高度又較大，項(xiàng)目要求大梁最大進(jìn)行46°俯仰，無(wú)法使用常規(guī)大梁錨定方式，為此研發(fā)了一種拉桿式大梁錨定系統(tǒng)。通過(guò)優(yōu)化前大梁后段和拉桿的長(zhǎng)度，在大梁俯仰完成后，利用最上段的前拉桿作為錨定桿，同時(shí)在拉桿頭上設(shè)置離心孔耳板，便于錨定銷(xiāo)的插入，方案如圖13 所示。此方案無(wú)需單獨(dú)設(shè)計(jì)錨定拉樁，且適用角度范圍廣，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。

圖13 拉桿式大梁錨定方案圖

2.4 大梁電纜軌道設(shè)計(jì)

鵝頸式岸橋有兩種大梁電纜牽引形式，一種是拖鏈?zhǔn)剑硪环N是托令式。

1）托令式軌道設(shè)計(jì)

主鉸點(diǎn)處托令式電纜軌道采用常規(guī)S 形切口，如圖14 所示。鵝頸鉸點(diǎn)處電纜軌道采用圓弧切口，確保電纜軌道在大梁彎折時(shí)不干涉。

圖14 主鉸點(diǎn)處電纜軌道接頭

2）拖鏈?zhǔn)杰壍涝O(shè)計(jì)

拖鏈?zhǔn)杰壍赖涅Z頸鉸點(diǎn)處的設(shè)計(jì)如圖15 所示，接頭處拖鏈支架采用銷(xiāo)軸和滑輪設(shè)計(jì)，可隨大梁彎折而滑移，無(wú)磨損和噪聲，使用可靠。

圖15 鵝頸鉸點(diǎn)處拖鏈?zhǔn)诫娎|軌道接頭

2.5 托架小車(chē)?yán)p繞方式

由于岸橋前伸距較大，為減少鋼絲繩在小車(chē)高速運(yùn)行時(shí)的彈跳，分別設(shè)置了海側(cè)和陸側(cè)托架小車(chē)、張緊裝置以及多托輥式托繩裝置，其纏繞方式見(jiàn)圖16。

意大利項(xiàng)目采用非驅(qū)動(dòng)式托架小車(chē)，通過(guò)小車(chē)停機(jī)位、大梁分段長(zhǎng)度以及托架小車(chē)的相對(duì)位置的優(yōu)化控制來(lái)實(shí)現(xiàn)海側(cè)托架小車(chē)的錨定位在鵝頸鉸點(diǎn)附近，從而保證纏繞系統(tǒng)的受力需求。此方案的托架小車(chē)無(wú)需配備一套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)且無(wú)控制托架小車(chē)的自驅(qū)移動(dòng)問(wèn)題，減小質(zhì)量的同時(shí)也降低了系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜性。

圖16 托架小車(chē)?yán)p繞示意圖

2.6 整機(jī)剛度要求

意大利超大型鵝頸式岸橋是采用自行式小車(chē)，在額定載荷工況下移動(dòng)載荷達(dá)117 t，對(duì)大梁和門(mén)框的剛性有較高要求。若處理不好，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命、小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)和整機(jī)操作舒適性和經(jīng)濟(jì)性都有較大影響。

鵝頸式岸橋前大梁系統(tǒng)相比常規(guī)項(xiàng)目多一套四連桿機(jī)構(gòu)和多根聯(lián)系梁，海側(cè)上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加了30%左右，同時(shí)由于起升高度大，整機(jī)在小車(chē)方向的動(dòng)剛度相比常規(guī)項(xiàng)目要小，為了保證司機(jī)的操作舒適性，需要適當(dāng)加強(qiáng)門(mén)框的截面和剛性，提高整機(jī)小車(chē)方向頻率至0.7 Hz左右。

2.7 整機(jī)海運(yùn)綁扎

在整機(jī)制作完成后，一般采取整機(jī)滾裝上船發(fā)運(yùn)的方式，這樣能節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試時(shí)間和成本，保證交貨期。由于去意大利的航程較遠(yuǎn)，約65 d，需要穿過(guò)好望角，沿途風(fēng)浪較大，同時(shí)岸橋起升高度高且上部結(jié)構(gòu)較重，導(dǎo)致重心偏高，在海運(yùn)時(shí)具有風(fēng)險(xiǎn)性，故在發(fā)運(yùn)前應(yīng)充分做好整機(jī)的綁扎和計(jì)算工作。

整機(jī)海運(yùn)綁扎情況與計(jì)算模型如圖17 所示，在下橫梁設(shè)置橫向和縱向撐管，在海陸側(cè)門(mén)框、聯(lián)系梁和前大梁處設(shè)置拉索，并設(shè)置適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，有效降低岸橋結(jié)構(gòu)因船橫搖縱搖產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，充分保證整機(jī)抗風(fēng)浪能力和完好性。

圖17 整機(jī)海運(yùn)綁扎與計(jì)算模型

由于鵝頸式岸橋前大梁為兩段，為防止大梁前段在海運(yùn)中繞鵝頸鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，需要設(shè)置防轉(zhuǎn)保護(hù)綁扎（見(jiàn)圖18），采用接觸非焊接式的克隆木擋塊設(shè)計(jì)，來(lái)保護(hù)大梁結(jié)構(gòu)和鉸點(diǎn)的安全。

圖18 鵝頸鉸點(diǎn)防轉(zhuǎn)保護(hù)綁扎

3 結(jié)語(yǔ)

鵝頸式岸橋是一種比較特殊的岸橋，通常因碼頭的限高和地理情況不同，岸橋設(shè)計(jì)也有較大變化。本文通過(guò)對(duì)超大鵝頸式岸橋研發(fā)過(guò)程的一些關(guān)鍵技術(shù)和重難點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)，可為后續(xù)特殊和更新形式的超大鵝頸式岸橋的設(shè)計(jì)制造提供參考。