基于DNVGL規(guī)范的大型履帶吊機(jī)整體轉(zhuǎn)運(yùn)方法

劉芳，左惟東

（1.中外運(yùn)沙倫氏物流有限公司，上海201204；2.中國外運(yùn)大件物流有限公司，上海201204）

0 引言

隨著工程項(xiàng)目的建設(shè)發(fā)展，大型履帶吊機(jī)發(fā)揮著越來越重要的作用，被廣泛用于建筑、能源、電力、石化、海工等行業(yè)。在大型的工程項(xiàng)目建設(shè)現(xiàn)場，一臺大型履帶吊機(jī)往往需要服務(wù)于多個機(jī)位，有些機(jī)位相距較遠(yuǎn)，且項(xiàng)目現(xiàn)場道路情況復(fù)雜，大型吊機(jī)無法直接行走到位，由此便產(chǎn)生了大型吊機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)的需求。然而，傳統(tǒng)的大型履帶吊機(jī)轉(zhuǎn)場工序十分繁瑣，其中吊機(jī)各個部件拆解、零部件裝車、倒運(yùn)、零部件卸車、零部件重新組裝等步驟都耗費(fèi)大量的時間、車輛、人力和成本，同時低效率的轉(zhuǎn)運(yùn)也阻礙了整個工程項(xiàng)目的建設(shè)進(jìn)程[1]。因此，有必要提出一種新型的集約化的吊機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)方式,在技術(shù)安全可行的基礎(chǔ)上，具有經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)勢。

近年來，SPMT（自行式模塊運(yùn)輸車）在我國有了較多的應(yīng)用，在海工模塊領(lǐng)域的使用已經(jīng)比較成熟[2]，然而尚未見到SPMT在吊裝工程設(shè)備行業(yè)中的應(yīng)用。SPMT具有靈活性強(qiáng)、承載能力大、道路適應(yīng)性好等特點(diǎn)，而大型履帶吊機(jī)則面臨自重大、尺寸大、部件多、工程場地道路復(fù)雜等難題，因此將SPMT應(yīng)用于大型履帶吊機(jī)的整體轉(zhuǎn)運(yùn)，能夠提高轉(zhuǎn)場、轉(zhuǎn)運(yùn)效率、降低轉(zhuǎn)運(yùn)成本，對大型工程項(xiàng)目建設(shè)大有裨益。本文將以德馬格CC8800-1/1600t履帶吊機(jī)為例，詳細(xì)論述SPMT整體轉(zhuǎn)運(yùn)大型履帶吊機(jī)轉(zhuǎn)場的方法。

1 轉(zhuǎn)場模式對比

傳統(tǒng)的1 600t履帶吊機(jī)轉(zhuǎn)場模式是將吊機(jī)的主機(jī)、底盤、履帶、起重臂和超起桅桿等主要部分拆解成大約40個零部件（該計數(shù)不含配重塊），用運(yùn)輸車輛進(jìn)行多次倒運(yùn)至下一個機(jī)位，然后在新機(jī)位將零部件重新組裝，整個過程需要多輛運(yùn)輸車、一至兩臺輔助吊機(jī)，多名運(yùn)輸司機(jī)和起重工，拆、裝、運(yùn)、卸、組等步驟需要耗費(fèi)20天左右的時間。而SPMT整體轉(zhuǎn)運(yùn)履帶吊機(jī)的模式則是將吊機(jī)（不含主臂）作為一個整體，調(diào)整吊機(jī)姿態(tài)后使得整體重心位置適于運(yùn)輸，無需拆解零部件，SPMT駛?cè)氲鯔C(jī)底盤下方，通過液壓行程將吊機(jī)頂起離開地面，行駛至下一個機(jī)位，再通過液壓行程將吊機(jī)整體落于地面，完成轉(zhuǎn)運(yùn)工作。在新機(jī)位無需重新組裝零部件，也無需輔助吊機(jī)協(xié)助倒運(yùn)，僅需要幾名SPMT操作人員即可完成，倒運(yùn)過程大約耗費(fèi)一天時間。從拆解部件數(shù)量、時間、人力、車輛、輔助吊機(jī)使用情況等五個維度來對比傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)場模式和SPMT轉(zhuǎn)運(yùn)模式，見表1。

表1 兩種轉(zhuǎn)運(yùn)模式對比

通過表1中數(shù)據(jù)對比可以得出：用SPMT轉(zhuǎn)運(yùn)大型履帶吊機(jī)能夠大大縮短作業(yè)時間，減少作業(yè)工序，降低人力和車輛以及輔助吊機(jī)的投入，具有成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)。

2 吊機(jī)整體重心計算和調(diào)整

傳統(tǒng)的運(yùn)輸車輛在倒運(yùn)吊機(jī)零部件時，不需要進(jìn)行零部件的重心計算，完成綁扎后即可運(yùn)輸。然而當(dāng)?shù)鯔C(jī)整體轉(zhuǎn)運(yùn)時，重量可達(dá)600-700t，屬于重大件貨物，其重心位置對運(yùn)輸安全性有關(guān)鍵影響。為保證大型吊機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)的安全性，首先要明確吊機(jī)各個部件的重量和重心，計算出吊機(jī)整體轉(zhuǎn)場時重量和重心，并根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，最終將吊機(jī)調(diào)整為適合運(yùn)輸?shù)淖藨B(tài)。

如圖1所示，建立以吊機(jī)底盤中心為原點(diǎn)的三維坐標(biāo)系XYZ，設(shè)第i個部件的重量為mi,重心坐標(biāo)為(xi,yi,zi)；吊機(jī)整體重量為m，整體重心坐標(biāo)(x,y,z)；其中，θ為超起桅桿與地面的夾角。

圖1 吊機(jī)坐標(biāo)系圖

吊機(jī)整體的總量m為：

根據(jù)力矩平衡原理，吊機(jī)整體的坐標(biāo)(x,y,z)為：

根據(jù)式（1）可以得到吊機(jī)整體的重量和重心坐標(biāo)，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)節(jié)超起桅桿角度θ和配重塊數(shù)量，直至吊機(jī)整體重心盡可能靠近履帶吊底盤中心即圖中坐標(biāo)原點(diǎn)，從而增加SPMT轉(zhuǎn)運(yùn)吊機(jī)時的安全性。

以德馬格1 600t履帶吊機(jī)為實(shí)例，將θ調(diào)整為65°時，通過上述方法計算出吊機(jī)整體重量重心，見表2。其中單個零部件的原始重量重心數(shù)據(jù)來源于起重機(jī)制造廠家手冊，組裝后單個零部件相對于原點(diǎn)的重心數(shù)據(jù)則與部件組裝位置和桅桿角度θ相關(guān)[3]。

表2 履帶吊整體重量重心表

3 基于DNVGL規(guī)范的SPMT運(yùn)輸方法

3.1 SPMT布置形式設(shè)計

SPMT整體轉(zhuǎn)運(yùn)履帶吊機(jī)時，車輛布置形式的合理性對安全運(yùn)輸至關(guān)重要。需綜合考慮上述吊機(jī)整體的重量、重心計算結(jié)果，吊機(jī)底盤與SPMT車板接觸支撐點(diǎn)，結(jié)合SPMT自身的技術(shù)規(guī)格進(jìn)行布置設(shè)計。所選用的SPMT技術(shù)規(guī)格見表3，一個單一的SPMT模塊稱為一個軸線，制造廠家一般以4個軸線或6個軸線組成一個SPMT模組的形式生產(chǎn)，表中數(shù)據(jù)為一個6軸線模組SPMT技術(shù)規(guī)格[4]。

表3 6軸線模組SPMT技術(shù)規(guī)格

經(jīng)過調(diào)整后的履帶吊機(jī)整體重量為676.3t，重心與底盤中心的偏離值分別為X=-153mm,Y=-224mm。履帶吊機(jī)底盤尺寸為長9.2m、寬8.5m，能夠滿足長為12軸線寬為2列的SPMT進(jìn)車空間需求，因此，選用2列×12軸線SPMT布置形式。采取在X方向上SPMT車組中心偏離原點(diǎn)（即吊機(jī)底盤中心）0mm，在Y方向上SPMT車組中心偏離原點(diǎn)-224mm的車輛布置形式。一般情況下，SPMT采取三點(diǎn)式液壓分組，SPMT布置和液壓分組如圖2所示。

3.2 基于DNVGL規(guī)范的安全校核

DNVGL規(guī)范給出了SPMT運(yùn)輸大型貨物時的安全標(biāo)準(zhǔn)[5]：

（1）SPMT軸載荷不超過技術(shù)規(guī)格中的額定載荷；（2）SPMT對地壓力不超過場地的地面承載能力；（3）SPMT運(yùn)輸貨物時靜態(tài)傾覆角需大于7°；（4）SPMT車板主梁彎矩和剪力不超過額定范圍。

圖2 SPMT布置圖

基于DNVGL規(guī)范，對SPMT布置形式進(jìn)行安全性和可行性校核，從而為SPMT轉(zhuǎn)運(yùn)大型履帶吊提供安全保障。

3.2.1 SPMT軸載荷計算。SPMT在運(yùn)輸過程中一般將所有的軸線分為三個液壓分組G1,G2,G3（如圖3所示），定義G1的中心點(diǎn)為A點(diǎn)，G2的中心點(diǎn)為B點(diǎn)，G3的中心點(diǎn)為C點(diǎn)，貨物重心為G點(diǎn)，將三個液壓分組的中心點(diǎn)連線，可以得到液壓三角形△ABC。SPMT每個液壓分組承擔(dān)一部分貨物重量，并將該組承擔(dān)重量均勻的分配到組內(nèi)的每一個軸線的液壓懸掛中，即同一液壓分組內(nèi)的軸載荷相同。因此，SPMT的軸載荷與貨物重量、貨物重心與液壓分組三角形的相對位置、液壓分組內(nèi)軸線數(shù)量等因素相關(guān)。

圖3 SPMT液壓分組示例

建立液壓分組受力幾何模型，對于△ABC，過A點(diǎn)向BC做垂線，垂足為O點(diǎn)，以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系；過G點(diǎn)分別向AO，BC做垂線，垂足為D，E;如圖4所示。

圖4 液壓分組受力幾何模型

根據(jù)力矩平衡原理：

其中:

G總為車貨總重量；

G1,G2,G3分別為三個液壓分組承擔(dān)的載荷；

Ni為第i個液壓分組內(nèi)軸線數(shù)量；

FALi為第i個液壓分組內(nèi)每個軸線的軸載荷；

代入3.1節(jié)中的SPMT布置形式和吊機(jī)重量重心數(shù)據(jù)，得到每個液壓分組內(nèi)的軸載荷:

參考3.1節(jié)中的SPMT技術(shù)規(guī)范，該布置形式下，最高軸載荷為33.4t/軸線，在允許使用范圍內(nèi)。

3.2.2 SPMT對地壓力計算。SPMT每個軸線有4個輪胎，能夠較好的將軸載荷分載于地面，其分載效果近似等于軸線車板在地面上的垂直投影，因此對地壓力計算可以采取對地投影面積計算法，即：

其中，F(xiàn)si為第i組軸線對地壓力，F(xiàn)ALi為第i組軸線軸載荷，B為一軸線寬度，L為一軸線長度。

代入3.1.1節(jié)中軸載荷計算結(jié)果，得到：

通常情況下，1 600t履帶吊機(jī)對場地承載能力要求為30t/m2,而SPMT通過自身分載效果，將對場地承載能力要求降低為10t/m2，常規(guī)的吊機(jī)現(xiàn)場可以滿足SPMT轉(zhuǎn)運(yùn)吊機(jī)時的對地壓力要求。3.2.3 SPMT運(yùn)輸傾覆角計算。DNVGL規(guī)范要求SPMT運(yùn)輸大件貨物時，其運(yùn)輸傾覆角需大于7°，運(yùn)輸傾覆角是SPMT運(yùn)輸抗傾覆能力的重要指標(biāo)，主要受到液壓三角形、重心高度、重心在液壓三角形平面上的投影與液壓三角形相對位置三個因素影響。將SPMT液壓分組與貨物重心的關(guān)系簡化為三維幾何模型，如圖5所示。

圖5 液壓分組與貨物重心關(guān)系三維幾何模型

其中，△ABC為SPMT液壓分組平面，G為貨物重心位置，G’為貨物重心G在△ABC面上的正投影，h為貨物重心G到G’的垂直距離，d為G’到△ABC的垂直最短距離，θ為運(yùn)輸傾覆角。通過幾何模型，可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)輸傾覆角θ在直角三角形中存在以下關(guān)系：

因此可求得：

將SPMT布置形式和貨物重心數(shù)據(jù)代入上述幾何模型，得出θ=9.3°，滿足DNVGL規(guī)范要求。

3.2.4 SPMT車板主梁彎矩和剪力計算。SPMT的主梁受力模型與傳統(tǒng)的普通平板運(yùn)輸車主梁受力模型不同，普通平板運(yùn)輸車主梁受力是從上而下的，貨物重量施加于支撐點(diǎn)，由支撐點(diǎn)施加于主梁，由主梁施加于懸掛，因此不同位置的懸掛的受力是不同的，這些不同的力反作用于主梁。因此，普通平板車的主梁受力模型是將懸掛作為固定約束，在支撐點(diǎn)施加向下的作用力。然而SPMT由于液壓懸掛的存在，液壓分組內(nèi)的壓力會被重新分配，最終使得同一個液壓分組內(nèi)的懸掛壓力值處處相等，這些相同的壓力反作用于主梁。因此，SPMT主梁受力模型是將支撐點(diǎn)作為固定約束，每個懸掛對主梁施加一個向上的反作用力[6]。

SPMT運(yùn)輸時，車板主梁受力主要受到貨物重量重心、液壓分組、軸載荷和貨物與車板之間的支撐位置等因素影響。值得注意的是，由于SPMT同一液壓分組內(nèi)每一軸線的軸載荷相同，其物理受力模型可以簡化如圖6，其中包含兩個支撐約束，12個液壓懸掛反作用力，以及1個車頭重力。

圖6 車板主梁物理受力模型

將3.2.1節(jié)中的軸載荷數(shù)據(jù)代入該物理模型，用ANSYS APDL進(jìn)行處理，得到車板主梁的彎矩圖和剪力圖（如圖7、8所示）。參考3.1節(jié)中的SPMT技術(shù)規(guī)范，該模型下，彎矩極值為-205.2KNm，+3 993.4KNm，彎矩在使用范圍內(nèi)；剪力極值為-1 297KN，+1 264KN，剪力在使用范圍內(nèi)。

圖7 車板主梁彎矩圖

綜上，基于DNVGL規(guī)范，SPMT整體轉(zhuǎn)運(yùn)大型履帶吊機(jī)各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)均符合安全要求，該方法具有安全性和可行性。

圖8 車板主梁剪力圖

4 結(jié)語

為解決傳統(tǒng)的吊機(jī)拆解轉(zhuǎn)運(yùn)模式的效率低、成本高的問題，提出一種使用SPMT整體轉(zhuǎn)運(yùn)大型履帶吊機(jī)的方法。以1 600t履帶吊機(jī)轉(zhuǎn)場為實(shí)例，通過對比兩種轉(zhuǎn)運(yùn)模式得出SPMT模式具有降本增效的優(yōu)點(diǎn)?；贒NVGL規(guī)范，驗(yàn)證了SPMT轉(zhuǎn)運(yùn)大型履帶吊的安全性和可行性，給出了吊機(jī)重心計算和調(diào)整方法，對SPMT布置設(shè)計和關(guān)鍵參數(shù)計算做了說明。該方法在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上具有一定的優(yōu)勢性，對其他大型履帶吊機(jī)或大型機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)場具有借鑒意義。