基于頂升方式的岸邊集裝箱起重機(jī)落地型加高設(shè)備研究

蘇紅亞 姚 淵

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

隨著科技水平的不斷提高，全球最大超大型集裝箱船不斷刷新榜單。近期我國首艘最大2.4萬TEU（標(biāo)準(zhǔn)箱）超大型集裝箱船簽字交付，該船最大堆箱層數(shù)為25層。

隨著這些巨大運(yùn)輸船的投入使用，世界各大港口都面臨的競爭越來越激烈。早期使用的大量舊岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡稱岸橋）在起升高度或外伸距上已不能適應(yīng)新形勢的要求，若重新購置新岸橋勢必會大大增加成本，同時也造成舊岸橋的利用率降低。因此，對岸橋加高、加長的要求日益驟增，尤其是大型港口的岸橋改造批量大，改造要求也更加迫切。

由于整機(jī)運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用昂貴，岸橋的加高會在用戶碼頭進(jìn)行操作。斷開位置在聯(lián)系橫梁到下橫梁這一段取，采用下部結(jié)構(gòu)（下橫梁及大車行走等）固定，上部結(jié)構(gòu)（門框及前、后大梁組件等）整體提升到需要的高度，加入加高段的方式進(jìn)行。加高有多種方式，本文介紹的這款特點(diǎn)是設(shè)備受力點(diǎn)落于碼頭面（見圖1），故稱為落地型加高裝置。

圖1 落地型加高設(shè)備施工現(xiàn)場

1 加高裝置總體說明

如圖2所示，加高裝置即液壓同步頂升岸橋加高裝置，由抬升塔架組件、抬升梁系統(tǒng)、穩(wěn)定系統(tǒng)、分載系統(tǒng)等組成。通過抬升梁系統(tǒng)托舉整個岸橋上部結(jié)構(gòu)，并由位于抬升塔架組件下部的動力系統(tǒng)將頂升塊4點(diǎn)同步送入抬升塔架，從而逐步墊高抬升梁系統(tǒng)達(dá)到加高岸橋所需高度。穩(wěn)定系統(tǒng)主要用于作業(yè)過程中抗側(cè)向風(fēng)載，分載系統(tǒng)主要考慮碼頭面集中承載能力差，擴(kuò)大受力面積以達(dá)到分載效果。

圖2 加高裝置頂升作業(yè)總布置圖

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）運(yùn)輸成本降低 加高裝置作業(yè)場地為集裝箱碼頭，遠(yuǎn)洋運(yùn)輸是無法避免的環(huán)節(jié)，也是成本的重要組成部分。而集裝箱運(yùn)輸不僅可以降低運(yùn)輸成本（裸件發(fā)運(yùn)需要置于箱頂，額外固定，運(yùn)輸費(fèi)用是集裝箱運(yùn)輸?shù)?～3倍），也不會因等待特定運(yùn)輸條件而影響發(fā)運(yùn)時間。

2）組裝靈活 這些模塊運(yùn)到作業(yè)現(xiàn)場后根據(jù)方案要求組裝，可滿足不同軌距、不同抬高高度的需求，不同的間距用活動段調(diào)節(jié)。

3）拆裝方便 控制系統(tǒng)設(shè)置在下方，所有液壓、電氣控制系統(tǒng)連接均在下部動力系統(tǒng)內(nèi)，上部為螺栓連接的純鋼結(jié)構(gòu)組件，拆除時僅需拆開分段處的螺栓，不涉及電氣、液壓管線，拆裝簡單，無需反復(fù)調(diào)試。整體結(jié)構(gòu)上也只需要拆除一側(cè)的上部結(jié)構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)岸橋的進(jìn)出，達(dá)到一次安裝多臺使用的目的。模塊設(shè)計的構(gòu)件小，吊裝難度大幅降低，現(xiàn)場輔助安裝均可采用小型汽車起重機(jī)完成。

1.2 抬升塔架組件

如圖3所示，抬升塔架是加高裝置的核心組件，由動力系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、加強(qiáng)段、料筒、頂升梁等組成。其中，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)及加強(qiáng)段的主要作用是在給頂升塊提供頂升通道的同時給予結(jié)構(gòu)強(qiáng)度支承；料筒用于儲存頂升塊；動力系統(tǒng)負(fù)責(zé)將料筒內(nèi)的頂升塊輸送到頂升通道中；頂升梁用于將動力系統(tǒng)的這個頂升動作傳遞到抬升梁系統(tǒng)。

圖3 抬升塔架示意圖

1）動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)位于抬升塔架下端，整個加高過程可以連續(xù)動作。其動作過程為：通過送料液壓缸及副插拔銷系統(tǒng)配合將一件頂升塊放置于水平進(jìn)給系統(tǒng)；水平進(jìn)給液壓缸動作將此頂升塊推送至主頂升液壓缸正上方；主頂升液壓缸動作及主插拔系統(tǒng)配合將頂升塊頂升至要求位置，并將此頂升塊固定到受力序列。如圖4所示，動力系統(tǒng)由主頂升液壓缸、送料液壓缸、主插拔銷系統(tǒng)、副插拔銷系統(tǒng)、水平進(jìn)給系統(tǒng)、頂升塊等組成。

圖4 動力系統(tǒng)示意圖

2）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是動力系統(tǒng)的大腦，由硬件和軟件2大系統(tǒng)組成，用于控制四節(jié)點(diǎn)的頂升液壓缸同步伸縮、送料液壓缸伸縮、頂升銷、送料銷的插拔及進(jìn)給液壓缸的進(jìn)退共同完成同步頂升作業(yè)。各液壓缸的伸縮、插拔、進(jìn)退等動作均經(jīng)傳感器檢測，由計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。

頂升液壓缸位移傳感器檢測4點(diǎn)的伸縮行程，上位機(jī)通過發(fā)送虛擬指令對各點(diǎn)位移進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，上位機(jī)顯示超差，并由此計算各主泵轉(zhuǎn)速，以此控制各點(diǎn)位移的同步。

當(dāng)頂升液壓缸、送料液壓缸伸或縮至標(biāo)定位置時，插銷才能插入或拔出，即僅當(dāng)插拔銷狀態(tài)傳感器接收到全插或全拔信號后，銷子插拔動作才被確認(rèn)。同時，系統(tǒng)還具備故障檢測、報警、模塊調(diào)試、實(shí)時監(jiān)控等功能。

2 受力分析及計算

2.1 主要技術(shù)要求及參數(shù)

除個別大軌距或雙起升項目外，岸橋的上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量一般為900～1 400 t。考慮到偏載及風(fēng)載，在單點(diǎn)載荷設(shè)置時需考慮最不利情況，這里考慮的風(fēng)載主要是突發(fā)陣風(fēng)，臺風(fēng)一般提前有預(yù)報得以規(guī)避。最大抬升高度設(shè)置為3個標(biāo)準(zhǔn)箱，受起升卷筒容繩量及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，加高高度受到限制，抬升同步精度的控制主要是保證各點(diǎn)受力的均衡性。其中，抬升額定載荷（抬升質(zhì)量）為1 500 t；抬升設(shè)計載荷（豎向載荷）單點(diǎn)按600 t考慮；最大允許風(fēng)速＜35 m/s；模型計算水平風(fēng)力載荷為130 t，單點(diǎn)按35 t考慮；最大抬升高度為10 m；岸橋重心高度為50 m；抬升同步精度＜10 mm。由于設(shè)備可能用于國外，需復(fù)核適用的環(huán)境溫度范圍，如鋼板的最低使用溫度、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)最低溫度、液壓系統(tǒng)需節(jié)流加載預(yù)熱等；其他抬升裝置的安全性、協(xié)調(diào)性、穩(wěn)定性要求。

2.2 岸橋抬升作業(yè)狀態(tài)設(shè)置

1）整體抬升前應(yīng)調(diào)整岸橋上部結(jié)構(gòu)重心位置至接近門框中心，使得海陸側(cè)理論均載；

2）岸橋在錨定位置錨定，大車夾輪器夾緊，防風(fēng)拉索拉緊；

3）岸橋下部固定在行走軌道上，防止抬升過程中滑動。

2.3 抬升作業(yè)抗傾覆計算

岸橋由于重心高、迎風(fēng)面積大，故首先需要考慮上部結(jié)構(gòu)在抬升狀態(tài)下是否有傾覆風(fēng)險。經(jīng)過簡化，其受力模型如圖5所示，其中支座1～支座4為抬升梁系統(tǒng)與岸橋的受力位置，為面接觸，抗剪塊約束，故此設(shè)定為球鉸支座。圖中所示參數(shù)G為岸橋自重；F風(fēng)為風(fēng)載荷（簡稱F），可分解為Fy=cos(θ)、Fx=sin(θ)、θ∈ [0°，90°]；N1、N2、N3、N4分別為各支座Z向反力；L1為海-陸側(cè)間距；L2為左-右側(cè)間距；L3為分載荷合力作用高度；ΔY、ΔX分別為岸橋重心沿Y軸、X軸的偏移量。

圖5 岸橋抗傾覆計算力學(xué)模型

抗傾覆的計算目標(biāo)是求各支座Z向反力，根據(jù)反力數(shù)值判斷岸橋的穩(wěn)定性及裝置的承載能力。其求解思路為線彈性模型分別考慮Y、X分量風(fēng)引起的反力增量，最后進(jìn)行線性疊加。其空間平衡理論計算如下：

1）不考慮風(fēng)載荷F時的支座反力Ni(o)為

2）僅考慮Y方向風(fēng)載荷分量時的支座反力Ni(y)為

3）求Y方向風(fēng)載荷分量時，支座反力增量ΔNi(y)為

4）僅考慮X方向風(fēng)載荷分量時的支座反力Ni(x)為

5）求X方向風(fēng)載荷分量時，支座反力增量ΔNi(x)為

6）實(shí)際風(fēng)載荷作用下（X、Y分量聯(lián)合）的支座反力Ni為

以上計算方法的具體項目可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整設(shè)定

（如實(shí)際岸橋質(zhì)量、各力作用位置、突發(fā)陣風(fēng)風(fēng)力、岸橋迎風(fēng)面積等），并將這些設(shè)定作為已知條件輸入計算，

輸入的支反力如果均在0～6 000 kN，則認(rèn)為在加高裝置受力范圍內(nèi)，且不會發(fā)生傾覆的可能。

2.4 加高裝置承載能力計算

1）工況簡圖

如圖6所示，以Y向風(fēng)為例，豎直載荷及水平載荷取值為前述技術(shù)參數(shù)，受力位置為塔架頂部，此時風(fēng)載荷作用力矩最大。

圖6 Y向風(fēng)工況力學(xué)模型

2）結(jié)構(gòu)變形

如圖7所示，通過建模計算，結(jié)構(gòu)最大變形為11.8 mm，發(fā)生在塔架頂部，方向為Y+向。

圖7 Y向風(fēng)工況 變形圖

根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄A.2規(guī)定，框架柱頂水平位移容許值為：多層框架柱頂位移不宜超過H/500，其中H為基礎(chǔ)到柱頂?shù)目偢叨?。本次設(shè)計的塔架高度H＝19.8 m＝19 800 mm，故柱頂位移容許值為19 800/500＝40 mm。Y向風(fēng)工況變形在位移容許范圍之內(nèi)，滿足要求。

3）結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力

同樣，通過模型可以得出結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力分布情況（見圖8），框架柱柱腳部位為最大應(yīng)力區(qū)域，在5倍設(shè)計荷載時應(yīng)力值為235 MPa，小于本裝置結(jié)構(gòu)材料許用應(yīng)力355 MPa，故滿足要求。

圖8 結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

4）輔助系統(tǒng)撐管承載能力驗算

根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，軸壓構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的驗算公式分別為

式中：N為軸心壓力；An為構(gòu)件凈截面面積；A為構(gòu)件毛截面面積；φ為軸壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，與構(gòu)件長細(xì)比有關(guān)；fd為鋼材設(shè)計強(qiáng)度。

根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，受彎構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的驗算公式分別為

式中：Mx、My為同一截面處對強(qiáng)軸和弱軸的彎矩，Wnx、Wny為對強(qiáng)軸和弱軸的凈截面模量，γx、γy為截面塑性發(fā)展系數(shù)，φb為梁的整體穩(wěn)定性系數(shù)，fd為鋼材設(shè)計強(qiáng)度。

通過對輔助系統(tǒng)的各撐管的截面尺寸、桿件長度、受力分解結(jié)果等代入進(jìn)行計算，在最不利情況下所有輔助撐管構(gòu)件的承載力均能滿足要求。

5）加高裝置承載能力計算（部件強(qiáng)度）

除了對塔基組件及輔助系統(tǒng)組成的結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行受力分析計算外，還需對所有部件的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計算，包括各連接處法蘭強(qiáng)度、螺栓驗算、頂升塊在插銷上的受力情況、在塔架導(dǎo)管中運(yùn)行時對導(dǎo)管壁的擠壓、抬升梁系統(tǒng)的受力計算等。

3 加高裝置運(yùn)用

3.1 加高改造施工前準(zhǔn)備

1）加高段準(zhǔn)備

在加高改造前，現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)圖紙或相關(guān)技術(shù)文件整理各材料；確認(rèn)立柱加高段的編號、外形尺寸、中心線位置等；按圖紙要求檢查立柱加高段上需安裝的斜梯、直梯、電梯支架、電纜支架等已盡可能安裝完整，注意區(qū)分海陸側(cè)、左右側(cè)的區(qū)別；在加高段上口相應(yīng)位置焊接定位卡瑪，為安裝加高段做準(zhǔn)備。

2）岸橋準(zhǔn)備

在加高改造前，每臺岸橋必須進(jìn)行檢查、測量并做好記錄；將岸橋停放到指定的改造位置，移位中心須與事先設(shè)定的中心重合并固定；小車停到停機(jī)位置，把吊具升到最高位置，前大梁扳起指定角度；綁扎固定小車、維修行車等活動部件，電梯停到第1層；岸橋斷開高壓，確認(rèn)有無安全隱患；在與頂升點(diǎn)對應(yīng)的位置焊接聯(lián)系梁內(nèi)的加強(qiáng)筋板；將立柱內(nèi)電纜、電纜托架斷開，電纜做好記號和保護(hù)；拆除電梯電纜以及電梯相關(guān)部位的軌道標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、齒條，做好必要的保護(hù)措施，拆開加高法蘭處斜梯及陸側(cè)立柱內(nèi)直梯。

3）岸橋加高設(shè)備安裝

在指定改造位置安裝抬高裝置；加高裝置安裝時需整體劃線，注意抬升裝置與岸橋頂升位置的控制，保證中心重合；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)加強(qiáng)段對接時需注意保證導(dǎo)向管的直線度及接口處的順滑，以保證頂升塊在料筒里的順滑過度；加高裝置安裝水平度及垂直度控制在要求范圍內(nèi)；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)合格后安裝海陸側(cè)及左右側(cè)撐桿系統(tǒng)。

4）岸橋移位到加高裝置上方并固定

當(dāng)加高裝置第一層安裝完畢后，將岸橋移位到加高裝置上方，注意岸橋中心與加高裝置中心重合；岸橋大車處于錨定狀態(tài)，固定大車行走等岸橋下部結(jié)構(gòu)；用撐管將岸橋下部結(jié)構(gòu)固定到分載梁上；完成第2層岸橋加高裝置的搭建。

5）加高設(shè)備頂升系統(tǒng)調(diào)試

連接提升系統(tǒng)的機(jī)電液控制系統(tǒng)，在通電前檢查線路、零部件是否安裝到位，避免造成元器件的損壞，檢查限位等是否處于正常工作狀態(tài)；分別測試4個角液壓系統(tǒng)是否正常工作；分別對頂升小梁進(jìn)行微調(diào)，記錄數(shù)據(jù)；測試聯(lián)動時4個分支機(jī)構(gòu)的同步性，記錄各位置相對高低差，全范圍進(jìn)行模擬提升測試，確認(rèn)試驗的平穩(wěn)性、連續(xù)性，如有間斷應(yīng)查找間斷的故障及解決辦法；將系統(tǒng)調(diào)試到待加高位置；記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，做好提升準(zhǔn)備。

3.2 加高改造施工

1）預(yù)頂升

抬起抬升梁達(dá)到門框橫梁處；抬起抬升梁使其承受起重機(jī)75%的載荷，確認(rèn)無異常后將岸橋與抬升梁固定。

2）抬高岸橋并安裝加高段

斷開立柱門框聯(lián)系橫梁處結(jié)構(gòu)；再次檢查確定所有關(guān)聯(lián)件已全部分開，準(zhǔn)備抬高；抬升梁受力，抬升岸橋使聯(lián)系梁處法蘭面分開約50 mm，并調(diào)整水平后鎖定；檢查無異樣后繼續(xù)抬升岸橋到要求高度（要加上操作空間），調(diào)整水平并鎖定狀態(tài)；吊起加高段到要求位置，并利用手拉葫蘆等將加高段安裝到位；抬升裝置下降，并逐步釋放岸橋質(zhì)量使加高段法蘭與原立柱各法蘭板更好的接觸；在抬升系統(tǒng)保障下完成4個加高段的連接。

3.3 完成后續(xù)的安裝工作

完成以上操作后，復(fù)測軌距，合格后先安裝水平桿，然后安裝斜撐管等；安裝加高段梯子和平臺，與原梯子平臺連接；完成起升鋼絲繩，起升卷筒及電梯等部件相應(yīng)改造；去除臨時搭焊，對油漆破壞的部位進(jìn)行修補(bǔ)；連接接線箱電纜，檢查線路，確保線路正確；恢復(fù)高壓供電，調(diào)試岸橋各項功能。

4 結(jié)論

經(jīng)過研究,頂升方式的落地型加高裝置滿足使用要求。目前，該形式的加高裝置已經(jīng)在美國、韓國等多個碼頭的項目上成功運(yùn)用。

1）起重機(jī)質(zhì)量由聯(lián)系梁頂升點(diǎn)傳于加高裝置頂升塊，通過分載系統(tǒng)傳遞到地面，力流清晰。應(yīng)力模型計算各環(huán)節(jié)受力均在許用范圍內(nèi)，滿足使用要求。

2）抬高裝置設(shè)計為組裝模塊，可組裝為不同抬高高度，主要控制系統(tǒng)在下方，關(guān)鍵部件采用可調(diào)設(shè)計，安裝工藝性強(qiáng)。

3）全自動、連續(xù)頂升系統(tǒng)可靠、高效。