半潛起重船吊機升沉補償裝置參數優(yōu)化研究★

劉 博 秦立成 彭甲志 高瑩瑩

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

1 升沉補償裝置參數優(yōu)化的意義

半潛起重船海上吊裝施工時運動導致吊纜受力過大，為了減少受力，本文對普通缸、復合缸、串聯缸和并聯缸吊機的升沉補償裝置進行了探討，研究了升沉補償裝置機理并進行了優(yōu)化設計，減少了升沉運動導致的被吊重物產生過大的受力。橫搖和縱向運動可由萬向節(jié)運動補償裝置來克服，縱向和橫向平面內運動可由螺旋槳的動力定位或系泊限制系統(tǒng)補償。垂向升沉運動會對起重機設備產生較大的影響，由于過大的升沉運動會導致被吊重物產生過大的運動，并且產生較大的起重力。因此，需要研究相關的補償裝置以便減小垂蕩運動對被吊物的影響。

目前根據能量來源的不同可將升沉補償系統(tǒng)分為主動、被動和半主動三種。主動系統(tǒng)由液壓泵供電，滯后幅度小，補償的精度很高，但耗費能量大。被動系統(tǒng)能量全部來自船舶升沉產生的運動，無需附加電源，但滯后非常嚴重，精度補償低。半主動系統(tǒng)綜合了前兩種系統(tǒng)的優(yōu)點，由蓄能器和液壓泵提供能量，既能兼顧提高補償精度，又能降低系統(tǒng)能耗。在實際應用中，船用起吊設備將在2級～6級海況下作業(yè)發(fā)生劇烈的升沉運動，利用升沉補償系統(tǒng)可以減小升沉運動，從而使起重機能夠正常起升作業(yè)。

2 升沉補償裝置設計方法

2.1 串聯油缸方式

常見的主動升沉補償系統(tǒng)通常采用四種設計方案，即普通缸、復合缸、串聯缸和并聯缸。圖1顯示了氣缸系列的設計方案。雙缸系列是在一條直線上使用主動缸2和被動缸1。該方法的優(yōu)點是可以進行力的疊加，利用能量實現了升沉的補償。主要能量由被動氣缸提供，而較少的能量由主動氣缸提供，這使得兩個氣缸很難協(xié)調，主要是因氣缸1的尺寸大，氣缸2的尺寸相對小。加上雙缸串聯使用，安裝難度很大，因此船舶甲板上需要預留較大的安裝空間，實際應用很少。

2.2 并聯油缸方式

并聯系統(tǒng)有兩個主動缸、一個被動缸，分布如圖2所示，被動缸2、主動缸1，3的活塞桿頂部與滑輪支架由柔性連接。位移提升由被動油缸2進行補償，系統(tǒng)的負載慣性和摩擦主要由兩側主動油缸負責補償。該系統(tǒng)減少了縱向安裝在船體上所占的空間，并且在運動過程中主動缸和被動缸之間的連接類似于差動連接，提高了響應速度。

2.3 普通油缸方式

普通油缸方案如圖3所示，采用了單缸的主要形式，代替了被動缸與主動缸，避免了多缸在空間上的配合；單缸的優(yōu)點：結構緊湊，在船體上占用的安裝空間小，體積小，缸體數量少，系統(tǒng)簡單；只有一個缸，減小系統(tǒng)耗能，提高了機械效率。但是在無桿腔油口處，蓄能器與主動液壓系統(tǒng)協(xié)同完成補償動作實現難度較大。

2.4 復合油缸方式

如圖4所示的復合油缸設計方案，在保留了單液壓缸方案的優(yōu)點基礎上，還能夠方便地實現由蓄能器來補償負載大部分的升沉位移，液壓泵只向復合缸的B腔、C腔供油，其能量用來抵消系統(tǒng)摩擦力和負載慣性，降低能耗；同時，復合缸的B腔與C腔截面相等，流量進出B腔與C腔的一致。復合油缸的空間結構相對復雜，設計制造增加了一定的難度，由于空間的復雜性，在制造上和維修成本上都會大大增加成本。

2.5 升沉補償裝置

本升沉補償裝置整體方案選為復合液壓缸式升沉補償系統(tǒng)。其中液壓缸作為執(zhí)行件采用集成了主動缸與被動缸性能的復合缸形式，如圖5所示。

復合缸包括三個腔分別是A腔、B腔、C腔，A腔與蓄能器連接是通過a口，B腔與蓄能器連接是通過c口，C腔與蓄能器連接是通過c口。當復合缸只起被動缸的補償作用時，B腔就與C腔連接，即通過油管連接b口與c口。從圖中可以看出，B室和C室的油速相同。為了使B室在單位時間內排出的油量與進入C室的油量相同，必須使B室與C室具有相同的工作面積。

其工作原理如下：

1)當船舶靜止時，升沉補償系統(tǒng)不工作。

2)在平靜海面上工作時，可切換到被動升沉補償模式。此時，旁通閥10開始連通，方向閥7在中間位置工作。船舶上浮時，由于活塞的慣性作用下保持平衡，A室的液壓油將會被壓回到蓄能器，C室的容積減小，活塞桿縮回，液壓油將會被壓到B室，以補償負載上升的位移。當船舶下沉時，A室容積變大，蓄能器中的油被壓回A室，B室中的液壓油被壓回C室，補償下降的位移。

3)惡劣海況作業(yè)時，應切換模式。船舶上升時，活塞在慣性作用下將會趨于平衡位置，A室容積減小，液壓油將被壓回蓄能器中?？刂破?1使閥7在正確的位置工作，液壓油通過端口b壓入腔室B，補償負載的位移上升。當船體下降時，A室容積增大，蓄能器將液壓油壓入到A室，同時控制器11向左連接換向閥7，液壓油在變量泵的作用下進入C室。腔室B中的液壓油返回油箱通過b端口，驅動活塞桿向外伸出，以補償負載的向下移動。

升沉補償裝置參數確定及優(yōu)化技術協(xié)議書中關于升沉補償裝置給出的具體設計參數如表1所示，先分析船舶升沉運動規(guī)律及補償運動規(guī)律，再根據設計方案及技術要求完成主要部件的計算。

表1 油缸式主動升沉補償系統(tǒng)設計要求

3 船體及補償運動分析

海浪的運動可近似寫為：

(1)

波浪的運動近似為正弦運動，表示為：

(2)

波浪運動頻率與船舶的升沉運動相同且振幅較小時：

(3)

不受船體運動的影響時，補償運動應滿足：

(4)

以上各式中，T為海浪周期；θ為初始相位角；H為海浪波高；μ為船的升沉位移與海浪波高之比。

4 復合油缸設計

與普通油缸的計算方法一致，其尺寸標記如圖6所示。

當工作載荷m=500 t，載荷Q=4 900 kN。

最大靜拉力為:

(5)

其中，mh為滑輪組倍率，本系統(tǒng)取m=1；ηz為滑輪組效率；ηD為導向滑輪效率。

液壓缸實際推力為:

(6)

其中，ηm為液壓缸機械效率。

平衡的方程：

(7)

內徑的計算：

(8)

其中,μg為液壓缸負載率；d為復合缸的內徑；η為液壓缸的總效率；p為系統(tǒng)的壓力。

復合缸體壁厚的影響：

(9)

其中，[σ]為缸底材料的許用應力；k0為缸體壁厚,m。將數據代入式(10)，得k0≥199.5 mm。

在升沉補償完全被動式系統(tǒng)模式下，B室與C室的流量與作用面積相同。

(10)

當p≥7 MPa時，d1/d0=0.7，代入式(8)，初選d0=770 mm，d1=540 mm。

復合油缸活塞桿為空心結構，因此桿壁的應力σ必須小于其材料的許用應力[σ]：

(11)

其中，k1為活塞桿壁厚,m；[σ]=σb/1.4，σb為材料的抗拉強度，當為無縫鋼管時，σb=100 MPa～110 MPa，此處取σb=100 MPa。解得，k1≥74.5 mm，取k1=75 mm。

設計中要求最大的升沉補償高度為±1.5 m，滑輪組為單倍率設計，根據式(6)可知，活塞桿補償距離為1.2 m，根據設計手冊GB 321—1980優(yōu)先數和優(yōu)先數列，取活塞行程l=1 250 mm。

長度L公式：

L>l+K+C

(12)

其中，l為活塞行程，m；L為缸體長度，m；活塞的厚度K=(0.6～1)d。

油口直徑滿足下面的公式:

(13)

代入數據計算得da=27.9 mm，圓整為da=30 mm。

缸底有油口的缸底厚度滿足下面的公式：

(14)

根據p=0.25[σ]，取[σ]=126 MPa。代入數據并圓整得，h=200 mm。

根據以上計算，復合油缸設計參數見表2。

表2 復合油缸相關參數

5 研究結論

在海上風、浪、流的作用下起重船將產生六個自由度方向的運動，在起吊作業(yè)中被吊物將一起運動，導致吊纜受力過大。本文的研究成果不僅為常規(guī)項目提供了技術支持，也為我國后續(xù)深水半潛式起重船吊機設計提供了參考。研究對比分析了四種油缸式的升沉補償方案，通過對項目給定的海況、船舶升沉運動規(guī)律、補償運動規(guī)律及液壓系統(tǒng)的綜合分析，提出了采用復合液壓缸式升沉補償系統(tǒng)的方案，并完成液壓系統(tǒng)原理及主要部件的設計計算，包括：系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)流量、復合油缸、蓄能器等，給出了油缸、蓄能器及系統(tǒng)的主要設計方法及設計參數，為副起升500 t升沉補償功能的系統(tǒng)設計及進一步的元件選型奠定了基礎。