新型四軌式大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

強(qiáng)少華

中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司 上海 200090

0 引言

大型門(mén)式起重機(jī)是一種機(jī)械化程度較高、船廠普遍使用的一種造修船專(zhuān)用裝備。對(duì)于大型船體分段的吊裝，國(guó)內(nèi)幾大造船基地（環(huán)渤海、長(zhǎng)三角、珠三角）船塢區(qū)域基本都是配置2 臺(tái)同等規(guī)格、同樣性能參數(shù)的大型門(mén)式起重機(jī)，采用四軌錯(cuò)軌布置方案，進(jìn)行聯(lián)合抬吊作業(yè)，一般采取限制起重能力和同步運(yùn)行速度等措施，兩機(jī)抬吊極限距有最小值控制要求。兩機(jī)聯(lián)吊作業(yè)時(shí)，對(duì)相關(guān)安全保障措施要求較高，作業(yè)效率相對(duì)較低。

隨著造船工業(yè)的發(fā)展，船體分段越來(lái)越趨向于大型化，造船模式朝模塊化建造方向發(fā)展，產(chǎn)品類(lèi)型多元，對(duì)設(shè)備各項(xiàng)性能指標(biāo)要求越來(lái)越高，尤其是起重能力大型化需求越來(lái)越多。故在現(xiàn)有船塢土建基礎(chǔ)上采用單臺(tái)大型門(mén)式起重機(jī)替代原有2 臺(tái)門(mén)式起重機(jī)聯(lián)吊作業(yè)的需求逐步突出。

目前，四軌式大型門(mén)式起重機(jī)在國(guó)內(nèi)大型造船基地還沒(méi)有相關(guān)應(yīng)用案例，主要基于2 方面原因：1）新建船塢配置大型門(mén)式起重機(jī)，輪壓載荷一般控制在比較合理的范圍內(nèi)，行業(yè)內(nèi)優(yōu)先考慮單側(cè)單軌方案；2）在現(xiàn)有船塢4 條軌道基礎(chǔ)上進(jìn)行能力提升，主要是根據(jù)造船模式及產(chǎn)品的建造吊裝需求而定，而船體分段大型化及豪華游輪、LNG（Liquefied Naturad Gas）船等也是近幾年才得到快速發(fā)展，現(xiàn)有船塢對(duì)超大型起重設(shè)備的需求處于起步階段。

本文通過(guò)研究新型四軌式大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)，解決了在已有4 條軌道的基礎(chǔ)上，配置超大起重能力的四軌運(yùn)行式大型門(mén)式起重機(jī)，一方面充分利用現(xiàn)場(chǎng)土建基礎(chǔ)條件，有效降低土建基礎(chǔ)改造費(fèi)用；另一方面提高設(shè)備起重能力，減小作業(yè)盲區(qū)，同時(shí)提高船體分段總裝效率，縮短造船周期，為船廠創(chuàng)造更大經(jīng)濟(jì)效益。

1 總體設(shè)計(jì)方案

某船廠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求提出，原有2 臺(tái)錯(cuò)軌布置的800 t 門(mén)式起重機(jī)聯(lián)吊作業(yè)時(shí)最小聯(lián)吊距離已無(wú)法滿足生產(chǎn)需要，且重載聯(lián)吊作業(yè)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)起升及行走機(jī)構(gòu)的同步性要求高，故考慮重新配置1 臺(tái)超大噸位的門(mén)式起重機(jī)。

基于土建基礎(chǔ)不作調(diào)整的前提，充分利用原有2 臺(tái)800 t 門(mén)式起重機(jī)的4 條軌道土建基礎(chǔ)。經(jīng)溝通交流，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝需求，確定了設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)，明確了新建設(shè)備為四軌式1 600 t 門(mén)式起重機(jī)（見(jiàn)圖1），放置于原有2 臺(tái)800 t 門(mén)式起重機(jī)的4 條軌道上。

圖1 1 600t 門(mén)式起重機(jī)總圖

新建四軌式1 600 t 門(mén)式起重機(jī)為單主梁型，主要由主梁門(mén)架鋼結(jié)構(gòu)、2×600 t 上小車(chē)、800 t 下小車(chē)、大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、電氣設(shè)備和回轉(zhuǎn)式維修起重機(jī)、登機(jī)電梯、電纜卷筒、夾軌器、錨定裝置、風(fēng)速儀、糾偏裝置、重量指示裝置以及根據(jù)起重機(jī)安全規(guī)程所規(guī)定的各種安全保護(hù)裝置等部分組成。本起重機(jī)設(shè)有上、下可穿越式小車(chē)，具有單吊、雙鉤抬吊、三鉤抬吊、構(gòu)件空中翻身等多種功能。上下小車(chē)額定抬吊質(zhì)量為1 600 t，空中構(gòu)件翻身最大質(zhì)量為1 200 t。

與常規(guī)軌道式起重機(jī)不同的是，本文研究對(duì)象剛?cè)嵬葌?cè)行走機(jī)構(gòu)分別跨在2 條軌道上，即整機(jī)大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)共有4 條軌道。

通過(guò)深入研究分析，既充分考慮不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣和糾偏控制方法，將輪壓載荷有效分布傳遞，滿足原有土建基礎(chǔ)承載能力要求，同時(shí)又匹配實(shí)際生產(chǎn)需求，提高生產(chǎn)效率，避免兩機(jī)聯(lián)吊作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 土建基礎(chǔ)條件

新建四軌式1 600 t 門(mén)式起重機(jī)放置于現(xiàn)有設(shè)備的軌道基礎(chǔ)上，現(xiàn)場(chǎng)土建基礎(chǔ)條件為：最大輪壓800 kN，臺(tái)車(chē)輪距1 050 mm/1 200 mm，同側(cè)兩軌間距5 m，大車(chē)軌道QU120，行走速度30 m/min。

3 新型四軌式大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)

根據(jù)總體計(jì)算結(jié)果，剛?cè)嵬让總€(gè)支點(diǎn)下行走機(jī)構(gòu)車(chē)輪數(shù)均為32 只，分布在2 條軌道上，即單支點(diǎn)每條軌道上16 只車(chē)輪（8 組臺(tái)車(chē)）。

為有效傳遞載荷，8 組臺(tái)車(chē)需設(shè)置3 級(jí)平行于軌道方向的平衡梁和1 級(jí)垂直于軌道方向的平衡梁將2 條軌道上的行走機(jī)構(gòu)連接。各平衡梁間的連接均采用鉸軸連接，小平衡梁和臺(tái)車(chē)之間采用鉸座連接。四軌式大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于如何將支腿載荷有效傳遞，通過(guò)平衡梁系統(tǒng)將支腿載荷均衡分布至各個(gè)車(chē)輪。

3.1 平行于軌道方向的高低差調(diào)節(jié)系統(tǒng)

當(dāng)存在平行于軌道方向的高低差時(shí)，一般通過(guò)臺(tái)車(chē)組與小平衡梁之間的鉸座、平衡梁與大平衡梁之間的鉸軸來(lái)實(shí)現(xiàn)輪壓平衡（見(jiàn)圖2）。對(duì)于局部小范圍的高低差，臺(tái)車(chē)和小平衡梁之間的鉸座微轉(zhuǎn)即可調(diào)整。如果出現(xiàn)較大范圍的高低差，除了臺(tái)車(chē)和小平衡梁之間的鉸座微轉(zhuǎn)以外，平衡梁系統(tǒng)也會(huì)參與進(jìn)來(lái)，對(duì)臺(tái)車(chē)組及小平衡梁進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，最多至大平衡梁也參與調(diào)節(jié)。

圖2 平行于軌道方向的高低差調(diào)節(jié)系統(tǒng)

3.2 垂直于軌道方向的高低差調(diào)節(jié)系統(tǒng)

當(dāng)存在垂直于軌道方向的高低差時(shí)，通過(guò)設(shè)置垂直于軌道方向的平衡梁及平行于軌道方向的鉸軸進(jìn)行調(diào)節(jié)?？紤]到這個(gè)方向的平衡調(diào)節(jié)只有1 級(jí)，可以分別通過(guò)2 種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

方案一：平衡梁布置在最上層，此時(shí)單支點(diǎn)下只需設(shè)置1 組（見(jiàn)圖3），調(diào)節(jié)時(shí)對(duì)單根軌道上整個(gè)行走機(jī)構(gòu)同時(shí)調(diào)整。

圖3 方案一側(cè)視圖

方案二：平衡梁布置在最下層，此時(shí)單支點(diǎn)下需設(shè)置8 組（見(jiàn)圖4），以臺(tái)車(chē)組為單元進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖4 方案二側(cè)視圖

以上2 種方案從理論上都可以解決垂直于軌道方向的高低差平衡問(wèn)題，重點(diǎn)從3 個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

1）考慮到垂直于軌道方向調(diào)整高低差的平衡梁繞鉸軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，即單側(cè)2 條軌道上的末端行走臺(tái)車(chē)?yán)@鉸軸旋轉(zhuǎn)，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生水平位移。為防止車(chē)輪啃軌，需要核算垂直于軌道方向最大高度差時(shí)平衡梁旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的行走臺(tái)車(chē)水平位移值L1與輪緣和軌道側(cè)面最大間隙L2是否匹配。

本文研究的起重機(jī)同側(cè)2 條軌道間距為5 m，按GB/T 10183.1—2018《起重機(jī) 車(chē)輪及大車(chē)和小車(chē)軌道公差 第1 部分：總則》規(guī)范要求，按2 級(jí)公差考慮，同一截面處軌道高低差不大于5 mm，經(jīng)理論計(jì)算，平衡梁偏斜率為1‰。

方案一：垂直于軌道方向的平衡梁鉸點(diǎn)高度為7 000 mm，末端行走臺(tái)車(chē)水平位移L1=7 000×1‰=7 mm，輪緣和軌道側(cè)面最大間隙L2=15 mm，L1＜L2。

方案二：垂直于軌道方向的平衡梁鉸點(diǎn)高度為1 500 mm，末端行走臺(tái)車(chē)水平位移L1=1 500×1‰=1.5 mm，輪緣和軌道側(cè)面最大間隙L2=15 mm，L1＜L2。

同樣軌道高低差的情況下，垂直于軌道方向的平衡梁鉸點(diǎn)高度越低，末端行走臺(tái)車(chē)水平位移越小，對(duì)大車(chē)啃軌現(xiàn)象影響越小。

如果存在軌道高低差過(guò)大或者鉸點(diǎn)高度過(guò)高等因素導(dǎo)致出現(xiàn)L1＞L2的情況時(shí)，在確保剛?cè)嵬葌?cè)行走機(jī)構(gòu)糾偏系統(tǒng)正常工作的前提下，可以考慮采用寬輪緣設(shè)計(jì)方案，適當(dāng)增大L2，始終確保L1＜L2，在理論上避免因?yàn)檐壍栏叩筒钜蛩匾鸬目熊壖觿∏闆r。

2）從經(jīng)濟(jì)性能看，按方案一單支點(diǎn)下需設(shè)置1 組垂直于軌道方向的大平衡梁（見(jiàn)圖5），按總體參數(shù)計(jì)算，行走機(jī)構(gòu)整機(jī)自重約600 t；方案二單支點(diǎn)下需設(shè)置8 組垂直于軌道方向的小平衡梁（見(jiàn)圖6），行走機(jī)構(gòu)整機(jī)自重約520 t。在質(zhì)量方面，方案二較方案一有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖5 方案一俯視圖

圖6 方案二俯視圖

3）從使用性能看，方案一調(diào)整軌道高低差的平衡梁鉸點(diǎn)高度較高（見(jiàn)圖3），適合大范圍的垂直高低差調(diào)節(jié)，對(duì)局部小范圍的高低差難以調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)靈敏度較低，但結(jié)合錨定與夾軌器設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖7），可以提高單側(cè)2 條軌道內(nèi)部空間利用率。對(duì)于已有四軌土建基礎(chǔ)，尤其是單側(cè)2 條軌道之間存在各類(lèi)設(shè)備設(shè)施時(shí)，需要重點(diǎn)考慮通行的便利性，采用方案一可以較好地解決此類(lèi)問(wèn)題。

圖7 錨定及夾軌器與可利用空間位置關(guān)系

方案二調(diào)整軌道高低差的平衡梁鉸點(diǎn)高度較低（見(jiàn)圖4），大幅提高了垂直高低差的可調(diào)節(jié)性，尤其是局部小范圍的高低差調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)靈敏度較高，但單側(cè)2 條軌道內(nèi)部空間已全部占用。對(duì)于新建四軌土建基礎(chǔ)，尤其是單側(cè)2 條軌道軌距較小的情況下，可以考慮犧牲一定的空間利用率，單側(cè)2 條軌道之間盡可能避免布置相關(guān)設(shè)備設(shè)施，采用方案二有利于行走機(jī)構(gòu)對(duì)軌道高低差的調(diào)節(jié)適應(yīng)。

3.3 新型四軌式大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過(guò)理論研究及分析計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本次研究擬將垂直于軌道方向的平衡梁布置在最上層，將平行于軌道方向的3 級(jí)平衡梁均布置在下層，與臺(tái)車(chē)組共同平衡調(diào)節(jié)車(chē)輪、臺(tái)車(chē)組及平衡梁的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)2 個(gè)方向的調(diào)節(jié)平衡，共同確保輪壓載荷分布均衡，確保大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)安全可靠。詳細(xì)設(shè)計(jì)方案如圖3 所示。

4 四軌運(yùn)行同步控制精密定位系統(tǒng)

為便于同步控制研究，現(xiàn)對(duì)4 條軌道分別用代號(hào)進(jìn)行明確，依次用A、B、C、D 進(jìn)行表示，其中A、B 表示剛腿側(cè)的2 條軌道，C、D 表示柔腿側(cè)的2 條軌道。本次研究擬采用以下措施方法確保四軌運(yùn)行機(jī)構(gòu)的同步控制。

1）配置2 套基于無(wú)線射頻技術(shù)的單軸絕對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)，分別安裝在A、D 軌道旁，作為新型四軌式大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的磁釘精密定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)大車(chē)定位精度±1 mm，使得剛?cè)嵬葌?cè)行走機(jī)構(gòu)同步，本套系統(tǒng)作為主要糾偏控制系統(tǒng)；

2）配置2 套絕對(duì)值編碼器行走糾偏系統(tǒng)，分別安裝在B、C 軌道上，用以檢測(cè)剛?cè)嵬葌?cè)行走機(jī)構(gòu)同步，本套系統(tǒng)作為校正糾偏控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)異常時(shí)僅報(bào)警，不參與整機(jī)糾偏控制；

3）在主梁和柔性鉸處安裝1 套機(jī)械限位糾偏系統(tǒng)，作為最終安全保護(hù)；

4）垂直于軌道方向的平衡梁分別設(shè)置2 組抗剪塊，分別承受同側(cè)2 條軌道上的運(yùn)行阻力。

4.1 起重機(jī)同側(cè)兩條軌道運(yùn)行機(jī)構(gòu)同步糾偏

本設(shè)計(jì)方案中，垂直于軌道方向的1 級(jí)平衡梁布置在最上層。通過(guò)設(shè)置2 組平行于軌道方向的上下抗剪塊（見(jiàn)圖8），并且間隔一定的距離，使得同側(cè)2 條軌道行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行阻力均由上下抗剪塊承受，進(jìn)一步將載荷直接傳遞到結(jié)構(gòu)上，對(duì)結(jié)構(gòu)耳板起到了很好的保護(hù)作用。

圖8 抗剪塊安裝

行走過(guò)程中，運(yùn)行阻力通過(guò)布置在最上層的垂直于軌道方向的平衡梁及2 組上下抗剪塊傳遞至結(jié)構(gòu)上，垂直于軌道方向的平衡梁除了豎直方向的應(yīng)力和應(yīng)變以外，如有走偏還會(huì)產(chǎn)生一定的平行于軌道方向的應(yīng)力和應(yīng)變，通過(guò)其自身的變形來(lái)協(xié)調(diào)同側(cè)2 條軌道行走機(jī)構(gòu)相對(duì)位置偏差，使得同側(cè)2 條軌道行走機(jī)構(gòu)同步偏差控制在恒定范圍內(nèi)。

4.2 起重機(jī)剛?cè)嵬葌?cè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)同步糾偏

在確保起重機(jī)同側(cè)2 條軌道上行走機(jī)構(gòu)同步偏差可控的基礎(chǔ)上，進(jìn)行剛?cè)嵬葌?cè)行走機(jī)構(gòu)同步控制，共設(shè)置3 套糾偏系統(tǒng)。

1）磁釘精密定位系統(tǒng) 在剛?cè)嵬让總?cè)單條軌道（A和D）布置磁釘定位系統(tǒng)（見(jiàn)圖9），定位精度可達(dá)±1 mm，參與整機(jī)糾偏系統(tǒng)的控制。通過(guò)采集剛腿側(cè)A 軌道的絕對(duì)位置數(shù)據(jù)PG 和柔腿側(cè)D 軌道的絕對(duì)位置數(shù)據(jù)PR 進(jìn)行整機(jī)剛?cè)嵬葌?cè)行走機(jī)構(gòu)糾偏控制。該系統(tǒng)作為整機(jī)主要糾偏控制系統(tǒng)。

圖9 磁釘定位裝置

起重機(jī)行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)天線讀取磁釘中的絕對(duì)位置，將信號(hào)反饋給起重機(jī)的主PLC，實(shí)時(shí)獲取起重機(jī)同側(cè)兩條軌道（A 和D）上的行走機(jī)構(gòu)絕對(duì)位置并進(jìn)行比較計(jì)算，當(dāng)同步偏差超過(guò)設(shè)定值時(shí)進(jìn)行自動(dòng)糾偏，以1 條軌道A 上的行走機(jī)構(gòu)絕對(duì)位置為基準(zhǔn)，PLC 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后將運(yùn)行速度調(diào)整指令發(fā)送給另外一條軌道D 上的獨(dú)立變頻器，調(diào)節(jié)輸出頻率以達(dá)到調(diào)節(jié)行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度的目的，直至消除同步偏差。

2）絕對(duì)值編碼器定位系統(tǒng) 在剛?cè)嵬让總?cè)單條軌道（B 和C）上各安裝1 組檢測(cè)輪（見(jiàn)圖10），裝有絕對(duì)值編碼器用以檢測(cè)剛?cè)嵬葘?shí)際位置信號(hào)，作為整機(jī)糾偏系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)不參與控制，但將剛?cè)嵬葌?cè)行走機(jī)構(gòu)絕對(duì)位置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步至司機(jī)室中，到達(dá)不同控制值時(shí)用不同顏色區(qū)分顯示，超過(guò)最大設(shè)定值時(shí)報(bào)警提示；借助磁釘精密定位系統(tǒng)的絕對(duì)位置坐標(biāo)，每隔25 m 通過(guò)磁釘對(duì)絕對(duì)值編碼器進(jìn)行一次位置校準(zhǔn)，清除編碼器累計(jì)誤差。

圖10 檢測(cè)輪裝置

3）柔性鉸糾偏系統(tǒng) 除了以上糾偏保護(hù)以外，在主梁和柔性鉸處再安裝一套限位裝置（見(jiàn)圖11），用以限制主梁和柔性腿之間的轉(zhuǎn)角，該裝置參與整機(jī)糾偏系統(tǒng)的控制。采用長(zhǎng)擺桿形式，將主梁與柔性腿間的轉(zhuǎn)角量轉(zhuǎn)化為擺桿端頭的水平位移量，擺桿端頭與安裝在主梁內(nèi)部底板上的限位系統(tǒng)相連，限位系統(tǒng)由4 個(gè)機(jī)械限位開(kāi)關(guān)組成，分別作為左右偏差的極限和超限。

圖11 柔性鉸糾偏裝置

4.3 起重機(jī)剛?cè)嵬葌?cè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)糾偏控制要求

當(dāng)剛、柔腿運(yùn)行行程偏差達(dá)到起重機(jī)跨度的1‰～2‰時(shí)，開(kāi)始自動(dòng)進(jìn)行糾偏；當(dāng)起重機(jī)剛、柔腿兩側(cè)的運(yùn)行行程偏差達(dá)到起重機(jī)跨度的2‰～3‰時(shí)，起重機(jī)運(yùn)行降速糾偏，并發(fā)出相應(yīng)的警示；當(dāng)偏斜值達(dá)到起重機(jī)跨度的3‰時(shí)，限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，運(yùn)行機(jī)構(gòu)緊急斷電停車(chē)，并在司機(jī)室發(fā)出報(bào)警信號(hào)。司機(jī)通過(guò)手動(dòng)操作柔腿運(yùn)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行手動(dòng)糾偏，消除偏差后恢復(fù)起重機(jī)運(yùn)行。

如若磁釘精密定位系統(tǒng)和絕對(duì)值編碼器定位系統(tǒng)功能均失效，最后的安全保護(hù)則由柔性鉸糾偏系統(tǒng)完成。當(dāng)偏斜值達(dá)到起重機(jī)跨度的3.5‰時(shí)，極限限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，行走機(jī)構(gòu)緊急斷電停車(chē)；若極限限位開(kāi)關(guān)失效，偏斜值進(jìn)一步增大，當(dāng)達(dá)到起重機(jī)跨度的4.5‰時(shí)，超限限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，行走機(jī)構(gòu)緊急斷電停車(chē)，司機(jī)進(jìn)行手動(dòng)糾偏，消除偏差后恢復(fù)大車(chē)運(yùn)行。

5 總結(jié)

大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)作為大型門(mén)式起重機(jī)重要關(guān)鍵部件之一，對(duì)整機(jī)可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。新型四軌式大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮：1）平行于軌道方向的高低差平衡系統(tǒng)；2）垂直于軌道方向起重機(jī)同側(cè)2 條軌道的高低差平衡系統(tǒng)；3）四軌運(yùn)行同步控制系統(tǒng)。

本文研究的新型四軌式大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)型式和同步控制2 方面入手，通過(guò)平衡梁系統(tǒng)2 個(gè)方向的調(diào)節(jié)平衡將支腿載荷均衡分布至各個(gè)車(chē)輪，通過(guò)多重糾偏控制方法使得大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)同步運(yùn)行偏差始終在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，共同確保大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)安全可靠。