1500吨起重船起重系统设计

摘 要：本文着重介绍了起重船起重系统的特点,并对起重设备选型需考虑的主要问题做了简要论述.

关 键 词：起重系统；有限元分析；起重设备选型

1前言

随着海洋开发的深入发展,海上工程、海上救助、港口、码头、桥梁建设等吊装的需求日益增长,大型起重船的作用越来越重要,作为海上建设项目、打捞作业中不可替代的装备,近几年来有了非常快的发展,起吊能力不断加大,作业能力不断增强,作业区域从沿海港口向近海及远海发展.

2船舶概况

本船为单连续甲板、钢质焊接结构、自航、固定变幅式起重船,最大起吊能力1500t,主钩最大起升高度为75m,副钩起升高度为82m,主要用于我国沿海地区海域进行起吊作业,拖带航行航区为近海航区.

3起重系统设计

起重系统主要由吊臂、人字架、主钩起升机构、副钩起升机构、变幅机构、电气系统及安全装置组成.

3.1作业环境条件

（1）船舶最大横倾5°,最大纵倾2°；

（2）港口或遮蔽水域环境条件；

（3）风速不超过20m/s,相应风压不超过250Pa；

（4）起重荷载的运动不受外力的制约.

3.2工作状况

起重机作业时,主钩起升机构、副钩起升机构与变幅机构只能单独工作,只有在空载时主钩起升机构与变幅机构、副钩起升机构与变幅机构可同时工作.在过桥状态、避风及调遣拖航时,所有吊钩均被在船舶首部甲板上并加以固定.

3.3起重构架强度计算

起重构架主要是首部的A型吊臂和尾部人字架.

固定变幅式大型起重船吊臂主要有三种形式：桁架（组合杆）形式、箱型梁形式和圆柱形式.因为本船吊臂长度较长,约88m,吊臂自重会产生较大的垂向弯矩,而横向载荷较小,对吊臂绕水平轴的惯性矩要求要比绕垂直轴的惯性矩大得多,因此本船不推荐使用圆柱形式.对于桁架（组合杆）形式和箱型梁形式,经有限元直接计算都满足规范要求,但箱型梁吊臂结构在重量上比桁架（组合杆）吊臂结构重了许多,这会引起其余起重设备的重量增加,并且受风面积较大,对本船稳性不利,因此本船最终选用桁架（组合杆）形式.尾部人字架的结构形式为箱型结构,与船体焊接施工方便.

作为力的主要承载构件之一,吊臂结构强度能否满足要求是非常关键的,尤其是在搁置状态下,吊臂承受船舶倾斜、船舶运动所产生的力和风的作用力时的船舶运动载荷,已经很难用经验公式得出,本船采用大型通用有限元软件MSC.Patran（2005r2）、MSC.Nastran分析计算了A型吊臂及人字架结构强度.计算过程及结果分析主要根据CCS《船舶与海上设施起重设备规范》（2007）进行.按搁置状态、作业状态、过桥状态等工况进行强度计算,其结果都满足规范要求.

吊臂头和底部箱型结构板材采用高强度船体结构用钢,其钢材等级为DH36.吊臂中部桁架结构管材采用低合金高强度结构钢,主弦管材质为Q550,其他管材质为Q345.人字架采用高强度船体结构用钢,其钢材等级为DH32.

吊臂与安装座采用大销轴连接,销轴材料为42CrMo锻件,轴套采用铜锡磷青铜.

3.4起重设备选型

3.4.1钢丝绳的选型

钢丝绳对起重机使用的安全性具有决定性影响,钢丝绳的选择包括钢丝绳结构型式的选择和钢丝绳直径的确定.钢丝绳受力复杂,除拉伸外,当钢丝绳绕过滑轮和卷入卷筒时,在钢丝中还产生弯曲应力和接触应力,外层钢丝绳应力最大,疲劳损坏由外层钢丝开始.增大滑轮与钢丝绳的直径比,减小钢丝绳承受的拉力,能提高钢丝绳的使用寿命.在设计钢丝绳卷绕系统时,应尽量避免钢丝绳正反向弯折,从对钢丝绳寿命的影响程度而言,正反向弯折一次等同于同向弯折两次.绕经滑轮和卷筒的钢丝绳应优先选用线接触钢丝绳.钢丝绳破断负荷的安全系数n按规范要求,不小于3,但也不必大于5,所选用的钢丝绳破断负荷与绞车额定拉力的比值要大于安全系数n.

本船配主钩钢丝绳2根,每根绳长为2500m,6x36WS,直径Φ52.副钩钢丝绳2根,每根绳长为2100m,6x36WS,直径Φ42.变幅钢丝绳1根,绳长为8400m,6x36WS,直径Φ64.

3.4.2滑轮组的选型

滑轮用来支撑钢丝绳,平衡钢丝绳分支的拉力,并能改变钢丝绳的走向,组成滑轮组,达到省力或增速的目的.在起升机构中选取滑轮组的倍率是比较重要的,它对起升机构的总体尺寸影响较大.当倍率增大时,钢丝绳所受拉力减小,钢丝绳直径、卷筒和滑轮直径也都减小,在起升速度不变时,需提高卷筒转数,即减小机构传动比,然而事物是一分为二的,倍率增加势必会增加钢丝绳的长度及卷筒的长度,并会使滑轮组本身体积和重量增大,同时也会降低效率,加速钢丝绳的磨损.所以在确定倍率时,一定要结合几个方面的因素综合来考虑.滑轮型式主要分为铸铁和轧制两种,早期采用铸铁滑轮较多,现代大型起重船较多的采用轧制滑轮,制造方式相对简单,制造功效高.滑轮直径（量自索槽底部）与绳索直径比,规范要求不小于19,本船主钩、副钩滑轮组的直径比取为24,变幅滑轮组的直径比取为19.5.

本船配主钩2只,额定起吊重量2×750t,采用“山”字形钩,采用单排双联滑轮组,滑轮为轧制滑轮,定滑轮由13只滑轮组成,动滑轮由14只滑轮组成.配副钩2只,额定起吊重量2×300t,定滑轮由8只滑轮组成,动滑轮由9只滑轮组成.变幅系统采用分开的形式,由尾部人字架两侧的变幅定滑轮组（12只）和吊臂头部的动滑轮组（12只）组成.

3.4.3绞车的选型

起货绞车作为起重船提供动力的主要设备,起着重要的作用,要确定起货绞车的额定拉力,必须要先明确额定安全工作负荷、吊钩自身重量及吊高超过一定高度时钢丝绳的重量,之后根据滑轮组的钢丝绳绕法形式及滑轮总数计算得出,这其中还要考虑到经过导向滑轮的摩擦系数.根据吊钩起吊速度及滑轮总数,可以确定绞车的额定绳速.变幅绞车确定则较复杂,要在所有设备重量,包括吊臂、主钩滑轮组、副钩滑轮组、变幅滑轮组,以及零部件等的重量确定之后,才能根据起重系统受力图解初步得出.在设计过程中设备的计算与选型,往往需要多次修改,才能得到比较满意的结果.

绞车驱动形式主要分为液压驱动和电力驱动.液压驱动的主要优势体现在投入成本低、操作简单、使用寿命长；电力驱动的主要优势体现在效率高、调速性能优、自动化程度高等.

绞车液压驱动与电力驱动的比较,见表1.

根据表1对比,起货绞车液压驱动与电力驱动各有优缺点,在现代大型起重船中都有不少应用,因为本船起货时要2只主钩同时工作或2只副钩同时工作,采用电动变频会更好的保证同步要求,因此本船采用的起货绞车为电动变频驱动.

本船配备主钩绞车4台,工作负载500kN,额定绳速13m/min,钢丝绳直径Φ52,卷筒容绳量1200m.副钩绞车4台,工作负载300kN,额定绳速13.5m/min,钢丝绳直径Φ42,卷筒容绳量900m.变幅绞车2台,工作负载900kN,额定绳速10m/min,钢丝绳直径Φ64,卷筒容绳量1300m.

3.5起重设备布置

起重设备布置在起重船上起着关键的作用,首先在船体主要参数确定后,根据设计任务书中要求的起重量、起吊高度（吊钩钩环中心至满载水线）、两主钩间距离、两副钩间距离及舷外跨距等,可以确立A型吊臂总长度、吊臂头形式及吊臂安装底座之间的初步距离.人字架位置尽可能与A型吊臂远离,以减小变幅钢丝绳的拉力及变幅绞车的额定拉力.钢丝绳的缠绕和走向也是非常关键的,首先要确定导向滑轮的位置,钢丝绳出入滑轮绳槽的偏离角不能大于5°,以免绳槽侧壁受到较大横向力作用,使槽口损坏或使钢丝绳脱槽.在布置绞车时,对于光卷筒无绳槽多层卷绕卷筒,当未采用排绳器时,钢丝绳中心线与卷筒轴垂直平面的偏离角度不应大于1.7°,以免发生钢丝绳缠绕现象,本船因钢丝绳长度很长,绞车容绳量很大,并且主甲板面积有限,所以对于主钩、副钩及变幅绞车采用了排绳器装置,偏离角度可达到4°.

3.6变频控制系统及监测报警系统

起重设备采用变频调速进行控制,由主机带轴带发电机组并通过移相变压器供电给变频器,变频器输出供电给各种绞车电动机,控制变频器的输出电压相序和频率变化,起到改变电动机的转向和转速的变化,实现无级可逆调速.重载下降制动时,电动机的发电反馈能量经变频器输入到电阻箱中,能量转换成热量.变频调速柜中设有PLC,按控制方式、连锁方式和安全保护要求进行编程,PLC与变频调速器及液晶屏之间通过总线通讯,能全面实时监控系统的工作状态.

起重设备控制监测报警系统控制台安装于驾驶室,变频调速装置与PLC及监控装置之间采用Profibus-DP总线通讯,能快速控制和监视设备运行状态.控制台上设有安全保护装置、闭路电视监控系统、风速仪复示器等设备,采用PLC实施整机的逻辑控制、安全保护与连锁以及故障诊断和状态监视等,还可以在控制台上操作各起重绞车和变幅机构的运行.

3.7主、副钩起重性能曲线

本船主、副钩起重曲线如图2所示.

4结论

本船通航于24m高度以下的各类大桥,是通航高度很低的大型起重船,设计中解决了许多技术难题,取得了很好效果.起重构件及零部件的强度计算方法,设备的选型与计算,和以往同类产品相比,有所提高及突破,可为今后同类型的大型起重船提供了借鉴与参考.