大型港口固定式桅桿起重機設(shè)計研究

劉 彬，楊 廈，李鵬舉

（1.山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司，山東 濟南 250100；2.中國能源建設(shè)集團投資有限公司，北京 100020）

隨著港口設(shè)備業(yè)務(wù)的不斷拓展，海上發(fā)電設(shè)備、海底隧道沉管、橋梁基座沉箱等重件貨物的搬運在大型工程建設(shè)中越來越重要，重件碼頭1 000t 以上的大件裝卸作業(yè)陸續(xù)出現(xiàn)。如何建造超大構(gòu)件裝卸作業(yè)的專用桅桿起重機是重件碼頭設(shè)計的關(guān)鍵。根據(jù)構(gòu)造類型不同，固定式桅桿起重機分為纜繩式、搖臂式、人字架和單立柱等[1-3]，為順應市場需求，本文以1 200t 港口固定式人字架桅桿起重機（以下簡稱起重機）為例，介紹大型港口固定式桅桿起重機總體設(shè)計方案和基本參數(shù)，并闡述了結(jié)構(gòu)部件的構(gòu)造及其創(chuàng)新點。

1 起重機總體設(shè)計方案

起重機主體由底梁、臂架、人字架、變幅定滑輪組和變幅動滑輪組等組成，如圖1 所示。底梁包括底梁前支座和后支座，底梁后支座采用地腳螺栓群與預埋基礎(chǔ)連接；人字架包括前撐桿和后拉桿；臂架采用雙主臂加副臂方案。整機設(shè)計為拆分結(jié)構(gòu)，滿足陸路運輸條件，更大程度上增加了轉(zhuǎn)運的便利性。

圖1 起重機總體設(shè)計方案

底梁固定在碼頭前沿，人字架和臂架的下端固定在底梁上部，變幅定滑輪組安裝在人字架上端，變幅動滑輪組安裝在臂架頭部，通過變幅鋼絲繩的收放帶動變幅動滑輪組和臂架動作，實現(xiàn)臂架的俯仰變幅。

2 起重機基本參數(shù)

起重機配置有主鉤、副鉤和索具鉤，其基本參數(shù)如表1 所示。基于此基本參數(shù)，開展起重機的各結(jié)構(gòu)和機構(gòu)的設(shè)計。

表1 起重機基本參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 臂架

主臂采用雙臂管桁結(jié)構(gòu)，由2 個單臂、頭部橫梁、根部橫梁和中部連梁組成，上端窄下端寬，單臂和連梁均為圓管結(jié)構(gòu)，頭部橫梁和根部橫梁為箱形結(jié)構(gòu)[4-5]，主臂結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 主臂結(jié)構(gòu)

不同于浮式起重機和履帶起重機的臂架，桅桿起重機的臂架需要滿足大偏擺角度下的承載和拆分設(shè)計要求。臂架弦桿采用相同材質(zhì)、相同規(guī)格的圓管，臂架設(shè)計的難點是在偏擺載荷作用下，連梁附近的弦桿承載超限，需要通過調(diào)整連梁處桿系的布置使弦桿減載。

桅桿起重機需要在最大幅度工況下起吊最大的額定起重量，起升鋼絲繩的偏擺角度通常會超過1.5°，這是導致臂架連梁處的弦桿承載超限的主要原因。

浮式起重機的臂架為焊接一體結(jié)構(gòu)，不需要拆分設(shè)計，臂架桿系布置不受拆裝和運輸?shù)南拗疲谳^大的偏擺載荷作用下臂架出現(xiàn)局部桿件承載超限時，可以通過增加桿件進行補強，這種直接焊接方式不用考慮拆解問題。履帶起重機的臂架為拆分結(jié)構(gòu)，最大額定起重量的工況一般為短臂工況或小幅度工況，且偏擺角度限制在1.5°以內(nèi)，在偏擺載荷作用下，連梁處的弦桿能夠較好地滿足設(shè)計要求。

為了減輕自重，提高起重機的起重性能，起重臂采用500MPa 級以上的高強度結(jié)構(gòu)鋼，部分結(jié)構(gòu)采用700MPa 級別的鋼材，較常規(guī)設(shè)計減輕自重約26%。整體管桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計，風載荷較其它桁架結(jié)構(gòu)降低約30%，更適合于沿海高風的作業(yè)環(huán)境。

3.2 人字架結(jié)構(gòu)

人字架前撐桿和后拉桿為箱形結(jié)構(gòu)，采用上端窄下端寬結(jié)構(gòu)，并在寬窄轉(zhuǎn)折處設(shè)置支撐，上端窄主要是考慮人字架頭部與起重臂頭部滑輪組的適應性，下端寬主要是對應起重臂根部，使前后作用力在一個平面內(nèi)，增大整體的穩(wěn)定性。后拉桿在變幅平面內(nèi)為上下直拉結(jié)構(gòu)，后拉桿下端無水平載荷，防后傾裝置為圓管結(jié)構(gòu)，四點承載，人字架結(jié)構(gòu)如圖3 所示，受力如圖4 所示。

圖3 人字架結(jié)構(gòu)

圖4 人字架受力簡圖

該起重機對人字架設(shè)計進行了優(yōu)化，將人字架的上鉸點高度提高，當起升載荷F1一定時，在減小變幅力Fs的同時，也減小了臂架軸力Fb，兩者減少約25%，使變幅機構(gòu)和臂架的設(shè)計更加輕量化。在保持鋼絲繩繞入卷筒的角度不變的情況下，人字架高度提高后，卷筒可以加長，進而減少卷繞層數(shù)，降低纏繞扭矩。在滿足性能與受力要求的前提下，節(jié)約選型成本。

3.3 底梁

底梁前支座鉸點采用多剪切面結(jié)構(gòu)，保證承彎、承剪和承壓等強設(shè)計。前、后支座在工廠內(nèi)整體加工，提高了整機裝配精度：底梁前支座對地面平均壓強小，約為160t/m2。底梁后支座采用矩陣式承拉預埋及其均載結(jié)構(gòu)（專利技術(shù)），多級梁分散載荷，將4 500t 后拉力轉(zhuǎn)化為百噸以下的地腳螺栓拉力，保證了各地腳螺栓承拉能力接近相等，底梁后支座結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 底梁后支座結(jié)構(gòu)

人字架后拉桿載荷依次通過一級平衡梁、二級平衡梁和三級平衡梁傳遞給地腳螺栓。采用平面多級分載梁結(jié)構(gòu)，后支座由2 鉸點分解為多點，將鉸點的集中力進行分散，減小了單點的受力大小。共預埋螺栓80 套，單套螺栓最大拉力小于90t，有利于減小碼頭預埋基礎(chǔ)的成本，方便后期轉(zhuǎn)場安裝。

3.4 節(jié)點拆分

為便于運輸和安拆，結(jié)構(gòu)部件進行拆分設(shè)計，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的節(jié)點有剛接點和鉸接點。臂架的剛接點為凹凸臺法蘭+螺栓群連接，定位準確，承載力大。人字架前撐桿的剛接點為矩形法蘭+螺栓群連接，軸拉力較??；人字架的連梁與前撐桿、連梁與后拉桿的連接均采用矩形法蘭+螺栓群的連接方式；人字架后拉桿為受拉構(gòu)件，選用薄板結(jié)構(gòu)，后拉桿中段為四翼緣雙腹板箱形構(gòu)件（專利技術(shù)），后拉桿的剛接點為四銷軸八耳板連接，能承載較大軸拉力。剛接點形式如圖6 所示。

圖6 剛接點形式

主臂根部與底梁前支座的鉸接點、人字架前撐桿下部與底梁前支座的鉸接點，設(shè)計在一個支座上，有效平衡前后受力，使基礎(chǔ)實現(xiàn)“0”水平力，如圖7（a)。人字架后拉桿下部與底梁后支座的鉸接點、人字架前撐桿上部和人字架后拉桿上部為銷軸連接，均采用單銷軸多剪切面設(shè)計，增大銷軸的承載力，如圖7（b)所示。

圖7 支座鉸接點

4 機構(gòu)設(shè)計

4.1 起升繞繩方式

1）主起升機構(gòu) 采用雙卷筒雙聯(lián)構(gòu)造，主起升滑輪組為8 倍率纏繞，雙吊點布置，并可單吊點使用。

2）副起升機構(gòu) 采用單卷筒雙聯(lián)構(gòu)造，副起升滑輪組為6倍率纏繞。起升繞繩方式如圖8所示。

圖8 起升繞繩方式示意圖

4.2 變幅繞繩方式

變幅機構(gòu)的繞繩采用雙排雙繩平行纏繞方式，單側(cè)采用雙排滑輪組，在滑輪組末端設(shè)置平衡滑輪，平衡滑輪將兩側(cè)滑輪組連接[6-7]。變幅繞繩方式如圖9 所示。變幅動滑輪組通過高強度變幅拉板與主臂頭部連接，減少了變幅繩長度。

圖9 變幅繞繩方式示意圖

4.3 卷揚機和控制系統(tǒng)布置

主起升卷揚機、變幅卷揚機、電氣房和高壓變電站布置在底梁前支座和后支座之間，副起升卷揚機布置在底梁后支座上部，索具鉤卷揚機布置在底梁前支座上部，如圖10 所示。

圖10 卷揚機和控制系統(tǒng)布置

5 結(jié)語

大型固定桅桿式起重機適用于大型設(shè)備的港口裝卸，具有構(gòu)造簡潔，安拆便捷，抗風能力強，自重輕，安全可靠，拓展性好等優(yōu)點。

本文所研究的起重臂輕量化，人字架優(yōu)化及其矩陣式承拉預埋及其均載結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，較常規(guī)設(shè)計對整機性能和經(jīng)濟性方面都有了較大提升。