2 000 t風(fēng)電安裝起重機(jī)吊臂的擱置裝置設(shè)計(jì)

鄒韜　陳懿　王良偉

摘? ? 要：本文2000t風(fēng)電安裝起重機(jī)吊臂的擱置裝置，安裝在大型深水多功能風(fēng)電平臺(tái)上，用于海上風(fēng)電安裝重型起重機(jī)非工作時(shí)吊臂擱置時(shí)使用。該裝置能克服大型深水多功能風(fēng)電平臺(tái)在拖航過程中吊臂對(duì)擱置產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，保證拖航過程中風(fēng)電安裝起重機(jī)的安全。論述了一種海上風(fēng)電安裝重型起重機(jī)吊臂的擱置裝置設(shè)計(jì)及受力分析。

關(guān)鍵詞：海上重型起重機(jī)吊臂擱置裝置;滾輪式;自動(dòng)位移補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TE52? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design of Shelving Device for 2 000 t Wind Power Installation Crane Jib

ZOU Tao， CHEN Yi， WANG Liangwei

（ South China Marine Machinery Guangzhou Co.， Ltd.， Guangzhou 511462 ）

Abstract： The shelving device for 2 000 t wind power installation heavy crane jib is designed. The device is installed on a large deep-water multifunctional wind power platform， used for the shelving of offshore wind power installation heavy crane jib when it is not working. The device can overcome the influence of the crane jib on the relative motion of large deepwater multifunctional wind power platform during towing， and ensure the safety of the heavy crane during towing. In this paper， the design and force analysis of a heavy crane jib shelving device for offshore wind power installation are discussed.

Key words： Offshore heavy crane jib holding device; Roller; Automatic displacement compensation

1? ? ?前言

海上風(fēng)電相對(duì)于陸地發(fā)電有很多優(yōu)勢(shì)。海上風(fēng)力機(jī)可以減少對(duì)陸地土地資源的占用，而且海上具有適合大型風(fēng)電工程的大片連續(xù)空間，非常適合大型風(fēng)電場(chǎng)的建立;海上風(fēng)電可以降低對(duì)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行環(huán)境的要求，不必?fù)?dān)心電磁波、噪聲等對(duì)居民的影響和風(fēng)力機(jī)對(duì)居民視覺上的污染;海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可以充分利用海洋開采石油天然氣過程中積累的經(jīng)驗(yàn)，減少技術(shù)研發(fā)成本。

海上風(fēng)電是未來(lái)清潔能源新方向，目前全球風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)已從陸地轉(zhuǎn)向海洋?！吨袊?guó)風(fēng)電發(fā)展路線圖2050》已對(duì)我國(guó)風(fēng)能資源開發(fā)進(jìn)行了規(guī)劃，國(guó)家《可再生能源法》把風(fēng)電發(fā)展納入了法制框架，我國(guó)海洋發(fā)展戰(zhàn)略已明確將海上風(fēng)電發(fā)展列為重點(diǎn)。

隨著我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)的水深迅速提高到30 m以上，導(dǎo)管架將變成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型的主流選擇。導(dǎo)管架的重量與海底地質(zhì)條件、機(jī)組型號(hào)、水深、離岸距離、風(fēng)、浪、流等條件有關(guān)，與機(jī)組功率和水深的關(guān)系尤其密切，新一代的風(fēng)電安裝平臺(tái)的起重能力需達(dá)到2 000 t左右。隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃向更深海域推進(jìn)，風(fēng)場(chǎng)水深增加和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量加大，對(duì)海上風(fēng)電安裝重型起重設(shè)備提出了起吊能力更大、起吊高度更高和抗風(fēng)能力更強(qiáng)的要求。目前風(fēng)電安裝船的繞樁式起重機(jī)最大起重能力為1 200 t已無(wú)法滿足未來(lái)海上風(fēng)電發(fā)展的需求。

2? ? 常規(guī)的船用起重機(jī)吊臂的擱置裝置

船用起重機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮以下四種工作狀態(tài)：（1）工作中船外起升;（2）工作中船上起升;（3）不工作時(shí)吊臂不收車;（4）不工作時(shí)吊臂收車。

設(shè)計(jì)時(shí)，考慮起重機(jī)工作中船外起升和工作中船上起升兩種工作狀態(tài)，主要是保證起重機(jī)在起吊作業(yè)中的安全和起重機(jī)自身的結(jié)構(gòu)安全;對(duì)于起重機(jī)不工作時(shí)吊臂不收車狀態(tài)，主要是保證起重機(jī)自身的安全;對(duì)于起重機(jī)不工作時(shí)吊臂收車狀態(tài)，主要是保證在拖航過程中和長(zhǎng)時(shí)間擱置時(shí)起重機(jī)的自身安全。

現(xiàn)有船用起重機(jī)在非工作狀態(tài)時(shí)，往往把起重機(jī)吊臂放倒在擱置裝置上，使起重機(jī)變幅系統(tǒng)處于一個(gè)放松狀態(tài)，更好地保護(hù)起重機(jī)變幅系統(tǒng)和起重機(jī)自身，延長(zhǎng)起重機(jī)的使用壽命。

與陸地起重機(jī)不同，船用起重機(jī)在拖航過程中，起重機(jī)吊臂除了承擔(dān)吊臂自身的重力負(fù)荷外，還要承擔(dān)船舶航行中船體顛簸搖晃產(chǎn)生的沖擊載荷和交變載荷，往往需要承擔(dān)相當(dāng)于工作狀態(tài)時(shí)甚至更重的負(fù)荷。如果船用起重機(jī)吊臂保護(hù)不好，或者吊臂不放在吊臂擱置裝置上，不僅容易損壞起重機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，特別是回轉(zhuǎn)減速、回轉(zhuǎn)減速箱輸出小齒輪和用于起重機(jī)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)支承大齒等運(yùn)動(dòng)部件容易損壞，也容易損壞起重機(jī)變幅系統(tǒng)，若變幅鋼絲繩長(zhǎng)期處于交變受力狀態(tài)，會(huì)降低變幅鋼絲繩的使用壽命。

傳統(tǒng)的船用起重機(jī)起吊能力小、吊臂重量輕，在拖航時(shí)受到船體顛簸搖晃產(chǎn)生的沖擊載荷和交變載荷影響也較小。常規(guī)起重機(jī)的擱置裝置都是由1吊臂擱置塊、2枕木、3擱置架組成，如圖1所示。吊臂擱置塊焊接在吊臂上，用于保護(hù)吊臂主體結(jié)構(gòu)在擱置時(shí)不被損壞;起重機(jī)擱置時(shí)，枕木在吊臂與擱置架之間起減震作用;擱置架用于支撐起重機(jī)吊臂自重和抵消船體顛簸搖晃產(chǎn)生的沖擊載荷和交變載荷。

傳統(tǒng)吊臂擱置裝置的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制造成本和維護(hù)成本低;缺點(diǎn)是吊臂擱置裝置的枕木容易損壞，需要經(jīng)常更換枕木，維護(hù)麻煩。因此，需要設(shè)計(jì)一種新的海上風(fēng)電安裝重型起重機(jī)吊臂的擱置裝置，來(lái)滿足重型起重機(jī)得結(jié)構(gòu)安全。

3? ? 2 000 t風(fēng)電安裝起重機(jī)吊臂擱置裝置

隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)海上大型風(fēng)電安裝起重機(jī)產(chǎn)品的需求不斷增加。船用起重機(jī)的起吊能力不斷增加，起重機(jī)吊臂重量也不斷增加：船用30 t起重機(jī)吊臂重量約15 t，1 200 t風(fēng)電安裝起重機(jī)吊臂重量約450 t，2 000 t風(fēng)電安裝起重機(jī)吊臂重量約800 t。隨著海上作業(yè)環(huán)境變化，起重船和風(fēng)電安裝平臺(tái)隨著海浪運(yùn)動(dòng)，起重機(jī)吊臂與擱置裝置會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在吊臂擱置裝置處會(huì)因相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生異響，特別是在風(fēng)電安裝平臺(tái)拖航過程中尤為明顯，如圖2所示。

常規(guī)船用起重機(jī)的擱置架裝置越來(lái)越不適合重型起重機(jī)吊臂的擱置使用要求，急需設(shè)計(jì)一種新型的重型風(fēng)電安裝起重機(jī)吊臂擱置架裝置。利用滾輪受到外力作用自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)、自動(dòng)補(bǔ)償起重機(jī)吊臂與擱置裝置相對(duì)位移的原理，設(shè)計(jì)2 000 t風(fēng)電安裝重型起重機(jī)帶滾動(dòng)輪的新型起重機(jī)吊臂擱置架裝置。滾輪采用鋼質(zhì)滾輪、雙排多滾輪設(shè)計(jì)，增加滾輪與吊臂有效接觸面積和數(shù)量，降低滾輪的直徑和應(yīng)力。這種新型吊臂擱置架裝置有效解決了枕木強(qiáng)度不夠和需要經(jīng)常更換枕木的問題，同時(shí)也有效解決了起重機(jī)吊臂與擱置裝置會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生異響的問題。這種帶滾動(dòng)輪的新型起重機(jī)吊臂擱置裝置，由吊臂擱置塊、枕木、滾輪裝置和擱置架組成，如圖3和圖4所示。

3.1? ?受力計(jì)算

在校核這種帶滾動(dòng)輪的新型起重機(jī)吊臂擱置裝置強(qiáng)度時(shí)，需要考慮船舶航行中船體顛簸搖晃產(chǎn)生的沖擊載荷和交變載荷。起重機(jī)吊臂擱置架受到船體施加的垂直于甲板的加速度、前后方向平行于甲板的加速度、靜橫傾和風(fēng)速。按照中國(guó)船級(jí)社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》中3.2.11對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)載荷規(guī)定，垂直于甲板的加速度、前后方向平行于甲板的加速度、靜橫傾和風(fēng)速等參數(shù)規(guī)定如下：

（1）垂直于甲板的加速度±1.0 g;

（2）前后方向平行于甲板的加速度±0.5 g;

（3）橫向平行于甲板的加速度為±0.5 g;

（4）靜橫傾30°;

（5）風(fēng)速55 m/s。

3.2? ?風(fēng)載荷計(jì)算

作用在起重機(jī)結(jié)構(gòu)上或單個(gè)構(gòu)件上的風(fēng)載荷，按下式計(jì)算：

PW = C·q·A = C·1 854·A （N）? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：q— 風(fēng)壓，q = 0.613;

C— 部件形狀風(fēng)力系數(shù)，C=0.8;

V— 工作時(shí)風(fēng)速，V =55 m/s;

A —物品迎風(fēng)面積（m2）;

3.3? ?擱置架受力計(jì)算

重型起重機(jī)吊臂擱置架在船舶航行過程中受到船體顛簸搖晃產(chǎn)生的沖擊載荷和交變載荷，其中以船體施加的垂直于甲板的加速度和橫向平行于甲板的加速度影響最大，重型起重機(jī)吊臂擱置架受力分析如圖5所示。

垂直力： Fy =G×9.8 × （1+Av） × Lg / L （kN）? ? ?（2）

側(cè)向力： Fx=（Pw1+G×9.8×sinα+G×9.8×Bv） Lg/L （kN）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：G— 為吊臂重量，t

AV— 垂直于甲板的加速度為AV = 1.0 g;

BV— 橫向平行于甲板的加速度為BV = 0.5 g;

α— 靜橫傾α=30°;

Lg— 吊臂重心到吊臂根部連接銷軸中心的距離;

L— 擱置中心到吊臂根部連接銷軸中心的距離。

圖5? 吊臂擱置時(shí)受力

3.4? ?強(qiáng)度校核

分析帶滾動(dòng)輪的新型起重機(jī)吊臂擱置裝置的最大變形以及該裝置主體結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力。利用Creo4.0三維軟件建立三維模型（如圖6所示），用ANSYS軟件中的Workbench模塊對(duì)吊臂擱置裝置的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、施加載荷約束和邊界條件，在吊臂擱置架滾輪處進(jìn)行靜力分析、計(jì)算，通過分析得到應(yīng)力分布云圖、總變形量。

3.4.1 結(jié)構(gòu)材料

主要結(jié)構(gòu)采用DH36，材料彈性模量為2.06e5Mpa、泊松比為0.28、密度為7.85 t/㎡、屈服強(qiáng)度為355 Mpa。

3.4.2 邊界條件

根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)擱置架底座四根主管底部進(jìn)行約束。

3.4.3 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格時(shí)，考慮到吊臂擱置裝置的主體擱置架是焊接成型，首先采用Sweep進(jìn)行網(wǎng)格劃分，不能用Sweep劃分網(wǎng)格的用自由網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在保證不影響分析結(jié)構(gòu)的前提下，網(wǎng)格尺寸選擇0.2 m，共有107926個(gè)節(jié)點(diǎn)、20 007分單元。吊臂擱置ANSYS網(wǎng)格劃分如圖7所示。

3.4.4 加載

在擱置狀態(tài)吊臂對(duì)擱置架施加的最大垂直力和側(cè)向力，分別作用在吊臂擱置裝置上的滾輪上。

3.4.5 分析和求解

用ANSYSWorkbench模塊對(duì)吊臂擱置裝置的等效應(yīng)力進(jìn)行求解，受力加載和約束如圖8所示，結(jié)果如圖9和圖10所示。

從應(yīng)力云圖看，吊臂擱置裝置絕大部分區(qū)域應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，在三板相交角隅位置超出許用應(yīng)力，考慮到模型簡(jiǎn)化及計(jì)算軟件處理模型邊角、尖角位置的誤差，認(rèn)為結(jié)果中出現(xiàn)局部應(yīng)力尖點(diǎn)現(xiàn)象可以接受，吊臂擱置裝置的強(qiáng)度滿足使用要求。

4? ? ?結(jié)論

文中論述了一種新海上風(fēng)電安裝重型起重機(jī)吊臂的擱置裝置設(shè)計(jì)，利用Creo4.0三維軟件建立三維模型和用ANSYSWorkbench模塊對(duì)吊臂擱置裝置進(jìn)行等效應(yīng)力分析。

對(duì)比常規(guī)船用起重機(jī)的吊臂擱置架，帶滾輪結(jié)構(gòu)的吊臂擱置架裝置更適應(yīng)于重型起重機(jī)的吊臂擱置架，有效解決了因船舶航行中船體顛簸搖晃產(chǎn)生的沖擊載荷和交變載荷產(chǎn)生的異響，同時(shí)不用經(jīng)常更換枕木，采用鋼質(zhì)滾輪更經(jīng)久耐用，維護(hù)方便且節(jié)約成本。由于滾輪不能承受側(cè)向力，因此在拖航過程中需要在吊臂兩則與擱置架擋板之間用枕木來(lái)固定吊臂，減少滾輪受側(cè)向力影響。海上風(fēng)電安裝帶滾動(dòng)輪的新型起重機(jī)吊臂擱置裝置設(shè)計(jì)，為后續(xù)吊臂擱置裝置設(shè)計(jì)提供另一種選擇。

參考文獻(xiàn)

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國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.2008.