室內(nèi)船塢用大型門式起重機起升小車設計研究

高偉東

中船第九設計研究院工程有限公司 上海 200090

0 引言

隨著我國旅游業(yè)的快速發(fā)展，郵輪旅游作為新興休閑度假方式越來越受到消費者的喜愛。其中大型豪華郵輪更是國際造船業(yè)公認的高技術、高附加值、高可靠性的三高船舶。目前，國內(nèi)在郵輪建造方面還處于探索階段，由于豪華郵輪等高端船舶制造有著嚴苛的質量要求，采用在室內(nèi)船塢中建造的方式更容易保證質量，同時更能夠確保郵輪的建造周期。圖1為德國某造船廠室內(nèi)船塢，其內(nèi)部配置了一臺起重量800 t的大型門式起重機，跨度112 m，是整個船舶建造工藝中的關鍵設備。由于作業(yè)空間尺寸限制，機型的設計和以往常規(guī)門式起重機有較大差異。

圖1 室內(nèi)船塢全景

根據(jù)國內(nèi)某廠的工藝需求，現(xiàn)研制的室內(nèi)船塢用門式起重機起重量將達1 200 t，跨度155m，最大起升高度67 m，其中上小車起重能力為2×400 t，下小車起重能力為600 t，兩部小車聯(lián)合作業(yè)時可起吊1 200 t負載。本文針對室內(nèi)船塢用大型門式起重機起升小車關鍵技術進行深入研究。

1 常規(guī)船塢造船用大型門式起重機特點分析

目前，國內(nèi)造船愈來愈趨向采用大分段建造方式，單個大分段質量已超過600 t，有的已經(jīng)達到1 000 t以上，目的是為了縮短船塢的使用周期，提高船塢的利用率，即分段在船體車間預制，通過平移設備（如模塊車等）移至分段堆場，然后再利用起重設備將預制分段吊運至船塢內(nèi)，進行船體拼裝焊接。大型造船門式起重機可以勝任大分段的吊運工作，它橫跨船塢和裝焊平臺，輕松覆蓋整個作業(yè)區(qū)域，可以實現(xiàn)船體分段的空中翻身，從而把分段調(diào)節(jié)到所需的最佳焊接位置。

大型造船門式起重機一般在主梁上設置2臺起升小車，1臺配置了2套起升機構的上小車，1臺配置了1套起升機構的下小車。圖2是分段翻身作業(yè)過程示意圖。翻身作業(yè)通過2臺小車的配合來完成，首先船體分段由2臺小車的3套起升機構共同進行提升，達到設定高度后，通過調(diào)整吊鉤的升降，使整個分段都由上小車來承受，卸載后的下小車從上小車下穿過，然后將下小車吊鉤重新連接在分段的另一側；這時上小車吊鉤下降，下小車吊鉤上升，從而實現(xiàn)分段空中翻身。

圖2 分段翻身作業(yè)過程示意圖

大型門式起重機按主梁結構形式可分為雙梁門式起重機和單梁門式起重機。圖3是雙梁門式起重機，其特點是主梁由2根平行的倒梯形箱梁結構組成，上小車在2根箱形梁頂面外側布置的軌道上運行，下小車在2根箱形梁頂面內(nèi)側布置的軌道上運行，下小車可以從上小車門式車架結構下穿行。

圖3 雙梁門式起重機

圖4 單梁門式起重機

單梁門式起重機的特點是主梁由1根倒梯形箱梁結構組成，上小車在箱梁頂面的軌道上運行，下小車懸掛在箱梁下部，同樣可以滿足上下小車穿行的功能。

由于常規(guī)造船門式起重機主要關注主梁底部凈空高以滿足分段吊運和搭載等工作需求，而起升小車的高度并不是嚴格控制的指標，現(xiàn)將以往設計的起重能力600 t以上的雙梁和單梁門式起重機上下小車高度進行匯總如表1表2所示。

表1 雙梁門式起重機上下小車高度匯總

表2 單梁門式起重機上下小車高度匯總表

從匯總情況可知，單梁門式起重機上下小車所需凈空尺寸達到17 m，雙梁門式起重機上下小車所需凈空尺寸為11～12 m，室內(nèi)船塢中采用雙梁門式起重機更有利。但是如果再考慮主梁的高度一般為10～12 m，從主梁底部以上就需要20余m的凈空高度，因此，如何降低上下小車所需凈空高度是設計研究的關鍵目標,實現(xiàn)該目標可以降低整個外部廠房的高度，減少整個工程的投資，提高經(jīng)濟性。

2 起升小車設計方案

2.1 下小車設計方案

為降低門式起重機上下小車所需凈空高度，首先研究如何減少下小車所需凈空高度，由于大型門式起重機主梁自身有10～12 m的高度，所以下小車著重考慮利用主梁的高度空間進行布置。設計方案考慮采用內(nèi)藏式下小車和下沉式下小車2種形式。

如圖5所示，下小車運行于主梁內(nèi)側下部布置的軌道上。小車整體隱藏在主梁高度空間內(nèi)，為內(nèi)藏式下小車。

圖5 內(nèi)藏式下小車

如圖6所示，下小車運行于主梁頂面內(nèi)側布置的軌道上。下小車運行機構及部分車架結構突出于主梁頂面上，下小車起升機構和車架平臺均位于主梁內(nèi)側空間。

圖6 下沉式下小車

內(nèi)藏式下小車運行機構受主梁腹板影響，檢修空間有限，后期維護保養(yǎng)不方便；且吊鉤無法起升到主梁底面高度，影響起升范圍。下沉式起升小車運行機構布置在主梁頂面上，雖然增加一些高度，但考慮到可以和上小車共用這一段高度空間，并不會影響整機對凈空高度要求。運行機構的檢修問題容易解決，同時下小車的起升高度范圍也不受影響。因此下小車采用下沉式優(yōu)勢更突出。

2.2 上小車設計方案

1)常規(guī)單梁上小車 當下小車采用內(nèi)藏式或下沉式，上小車的下部空間可以大大降低，因此上小車可以采用以往應用于單梁門式起重機的小車型式（見圖7），即小車車架平臺直接與運行機構連接，從而降低小車整體高度尺寸。

圖7 單梁門式起重機上小車

2)卷筒下沉式布置 通過分析常規(guī)單梁門式起重機上小車型式，起升卷筒直接安裝于車架平臺上，小車所須凈空高度尺寸較大。因此設計考慮將起升卷筒下沉到車架平臺內(nèi)，進一步降低小車的高度。方案如圖8所示。

圖8 卷筒下沉式上小車

3)卷筒外懸式小車 按照方案2）卷筒下沉式小車，驅動機構和起升卷筒布置在車架上，雖然起升卷筒的位置有降低，但仍占據(jù)一定的高度空間，由此考慮將驅動機構和起升卷筒采用外懸式布置,可以再降低車架整體高度。如圖9所示。

圖9 卷筒外懸式上小車

4）外掛式小車 卷筒外懸式小車因為驅動機構和起升卷筒均布置在上小車軌道外側，同時起升載荷也作用于上小車架的懸臂端，所以車架所受的外載力矩較大，對車架強度有較大影響，造成小車整體自重增加。因此設計上考慮采用分體形式，上小車分成2個對稱小車，分別外掛于2根主梁的外側，同時在主梁外側下翼緣板處增設軌道，小車通過水平安裝的走輪來承受小車自重和吊載產(chǎn)生的轉矩。如圖10所示。

圖10 外掛式上小車

2.3 起升小車綜合方案

綜合上述，為更好地滿足室內(nèi)用門式起重機的使用要求，并達到降低起重機整體高度的目的，確定起升小車型式為：下小車采用下沉式方案，上小車則采用分體外掛式方案。綜合方案如圖11所示。

圖11 起升小車綜合方案

綜合方案設計突出優(yōu)點：

1）小車所需凈空尺寸小 起升小車設計中充分利用門式起重機的主梁高度空間，僅有運行機構和部分聯(lián)系梁突出主梁頂面，小車絕大部分如驅動機構、卷筒及起升系統(tǒng)布置在主梁中間或側面。設計方案有效地降低了門式起重機的凈空高度。

2）機構采用垂直布置方式 由于小車驅動機構和卷筒布置在2根主梁中間和外側，若采用常規(guī)橫向布置，小車的軌距會大大增加，同時也會增加上小車兩鉤聯(lián)吊間距，影響后期起重機作業(yè)工藝。而且外掛式小車向主梁外側橫向尺寸增加，會增大自重產(chǎn)生的轉矩，從而影響小車的載荷狀態(tài)。設計中考慮將起升卷筒與驅動機構、滑輪系統(tǒng)上下布置，充分利用了高度空間，減小小車的平臺尺寸，降低小車的自重。

3 起升小車設計方案確定

小車形式與以往形式有較大區(qū)別，因此將在2根主梁中間運行的小車定義為中間小車，而將懸于主梁外側的小車定義為外掛小車。

3.1 中間小車

中間小車運行于2根主梁內(nèi)側頂面的軌道上，由1組獨立的600 t起升機構、小車運行機構、車架、扶梯和平臺等機構和結構組成。中間小車可單獨作業(yè)，也可以和外掛小車聯(lián)合作業(yè)，完成分段的空中翻身、聯(lián)合抬吊等工作要求。

中間小車起升機構由電動機、減速器、開式齒輪、卷筒、滑輪組、鋼絲繩及吊具等部分組成。在導向滑輪上設有載荷傳感器，用于重量顯示和超負荷保護。

鋼絲繩在卷筒上采用單聯(lián)雙層卷繞形式，且雙層鋼絲繩同時卷入或放出總是平行卷繞，以確保作業(yè)時鉤頭垂直度公差控制在5%以內(nèi)。卷筒上同時有2根鋼絲繩引出，通過排繩機構進入定滑輪。卷筒岀軸上裝有高度限制器和編碼器，用于吊鉤的上下限位和同步控制。

起升機構電動機采用變頻專用電動機，末端的軸伸上安裝有超速開關和光電編碼器，用于以檢測起升速度、并提供超速保護與閉環(huán)控制；在調(diào)速系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)中間小車與外掛小車上的3個吊鉤聯(lián)合抬吊作業(yè)時的速度同步和速度調(diào)節(jié)。

如圖12、圖13所示，中間小車起升機構采用垂直布置，卷筒安裝在上層，驅動機構、排繩機構以及定滑輪組均布置下層，充分利用高度方向空間，減小小車橫向尺寸。

圖12 中間小車主視圖

圖13 中間小車側視圖

圖14為中間小車架結構圖。小車架針對機構布置，分為3層結構，最上層是與運行機構鉸接的聯(lián)系梁，中間層為卷筒安裝梁，最下層平臺上安裝驅動機構、排繩機構以及定滑輪組。

圖14 中間小車架結構圖

為確保新的小車結構形式的有效性，安全性，采用車架結構整體建模進行分析。圖15為中間小車結構模型加載圖，圖16為中間小車結構應力分析云圖。

圖15 中間小車結構模型加載圖

圖16 中間小車結構應力分析云圖

3.2 外掛小車

本文門式起重機共設置2臺外掛小車，分別安裝在2根主梁的外側。

單臺外掛小車通過2條軌道運行，一條軌道設置在主梁外側頂面上，另一條軌道則水平設置在主梁外側下底板處。

外掛小車采用與中間小車相同的機構形式。由1組獨立的400 t起升機構、小車運行機構、車架、扶梯和平臺等組成。外掛小車可單獨作業(yè)，也可以兩部外掛小車聯(lián)合作業(yè)，或者與中間小車聯(lián)合作業(yè)。

如圖17、圖18所示，外掛小車如同傘柄般懸于主梁外側，整個小車大部分機構和結構均在主梁側面。外掛小車機構同樣采用中間小車的垂直布置形式，減小車架外伸的長度。在外掛小車的下部設置水平走輪，承受由小車自重和吊重產(chǎn)生的轉矩。

圖17 外掛小車主視圖

圖18 外掛小車側視圖

圖19為外掛小車車架結構圖。小車架分為四層結構，最上層是與運行機構鉸接的聯(lián)系梁，接著為卷筒安裝平臺，再下一層平臺上安裝驅動機構、排繩機構以及定滑輪組。最后通過桁架結構與底部的水平走輪安裝架相連。

圖19 外掛小車車架結構圖

對車架結構整體建模進行分析，計算運行機構聯(lián)系梁與車架結構剛接以及車架箱形梁與桁架結構連接。圖20為外掛小車結構模型加載圖，圖21為外掛小車結構應力分析云圖。

圖20 外掛小車結構模型加載圖

圖21 外掛小車結構應力分析云圖

4 結語

通過總結以往起重機設計的經(jīng)驗，為室內(nèi)船塢用大型門式起重機起升小車提出一種切實可行的設計方案，在滿足起重機作業(yè)工況條件，有效地降低整機高度方面，對新型起重機裝備的設計和建造打下堅實的基礎。