1 600t起重船起重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 磊

(江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

隨著國(guó)內(nèi)船廠造船分段水平的提高,分段重量越來(lái)越重,原有的一些起吊設(shè)備已不能滿足使用要求,為此需要建造大型起重船來(lái)滿足生產(chǎn)的需求。

1 1 600t起重船工作狀況

1 600t起重船設(shè)計(jì)按中國(guó)船級(jí)社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》進(jìn)行,采用可變幅(在起升安全負(fù)荷范圍內(nèi))不旋轉(zhuǎn)臂架式起重機(jī)。

1 600t起重船起重系統(tǒng)布置圖如圖 1所示。

本船在使用中,主起升、副起升、變幅機(jī)構(gòu)三個(gè)機(jī)構(gòu)在任何時(shí)候都只能有一個(gè)機(jī)構(gòu)處于工作狀態(tài)。

作業(yè)工況:

①起重設(shè)備工作時(shí),船舶處于橫傾≤5°,縱傾≤2°;

②起重設(shè)備工作時(shí)風(fēng)速不超過(guò) 20m/s,相應(yīng)風(fēng)壓不超過(guò)250Pa;

③作業(yè)于蔽遮的海域;

④臂架仰角 58°時(shí),安全工作負(fù)荷 15 680kN (1 600t);

⑤臂架仰角 30°～65°時(shí),副鉤安全工作負(fù)荷1 960kN(200t);

⑥臂架仰角 30°～65°時(shí),索具鉤安全工作負(fù)荷3×98kN。

⑦本船通過(guò)拖船拖航于南京長(zhǎng)江大橋以下的長(zhǎng)江下游、中國(guó)海域內(nèi)的近海航區(qū)。

2 起升系統(tǒng)

本船配備主吊鉤 4套,每只主鉤安全工作負(fù)荷為3 920kN(400t),4只主鉤可同時(shí)工作,滿足起吊15 680kN(1 600t)的需要。

主鉤采用單排雙聯(lián)滑輪組,定滑輪組由 8只滑輪組成,動(dòng)滑輪組由 7只滑輪組成,倍率為 2×7。每只主鉤起升由 1臺(tái)電動(dòng)絞車雙滾筒驅(qū)動(dòng),絞車額定拉力為350kN,速度為14m/min,吊鉤起升速度2m/min。4只主鉤起升共配備 4臺(tái)雙滾筒電動(dòng)絞車。主鉤鋼絲繩繩長(zhǎng) 1 650m,共 4根。絞車容繩量為600m。

本船配副吊鉤1套,每只副鉤安全工作負(fù)荷為1 960kN(200t)。

副鉤采用單排雙聯(lián)滑輪組,定滑輪組由 5只滑輪組成,動(dòng)滑輪組由 4只滑輪組成,倍率為 2×4。副鉤起升由 2臺(tái)電動(dòng)絞車驅(qū)動(dòng),絞車額定拉力300kN,速度32m/min,吊鉤起升速度8m/min,副鉤起升共配備 2臺(tái)電動(dòng)絞車。副鉤鋼絲繩繩長(zhǎng)為1 200m,絞車容繩量為 360m。

本船配索具吊鉤 3套,每只吊鉤安全工作負(fù)荷為98kN。索具鋼絲繩通過(guò)臂架頭部的定滑輪由索具電動(dòng)絞車直接拖帶,用于起重作業(yè)準(zhǔn)備工作。鋼絲繩繩長(zhǎng)200m,絞車容繩量為100m。

3 起重臂架及安裝

本船起重臂架采用鋼管桁架焊接結(jié)構(gòu),材料為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼由DH36及DH32組成。DH36及DH32主要化學(xué)成分:含碳量C≤0.18%,含錳量Mn0.9%～1.60%。DH36力學(xué)性能:屈服點(diǎn)≥355MPa,抗拉強(qiáng)度490～620MPa;DH 32力學(xué)性能:屈服點(diǎn)≥315MPa,抗拉強(qiáng)度440～570MPa。

臂架圖如圖 2所示。臂架總長(zhǎng)約 77m,臂架下開檔為 22m,此即為臂架安裝的中心距。臂架裝配焊接后軸線撓度不超過(guò)長(zhǎng)度的 1/1 500。

臂架頭部為整體箱形結(jié)構(gòu),其背面安裝變幅滑輪組;副鉤定滑輪組安裝于頭部最前端,4只主鉤定滑輪組安裝于臂架頭部,左右中心距約4 000mm,前后間距約4 000mm。

起吊臂架下的龍門架頂距甲板高約 20m,龍門架(起吊臂架下部)橫向中心距約為22m。

船舶尾部的千斤柱頂固定物距甲板高約為41m,橫向中心距約為22.8m。

臂架與安裝座采用銷軸連接,臂架安裝軸套內(nèi)設(shè)有銅襯套,采用油脂潤(rùn)滑。

4 變幅系統(tǒng)

本船設(shè)計(jì)為起重臂架可變幅,變幅速度約0.8 m/min。變幅系統(tǒng)由以下幾部分組成:

(1)CP(a)=1,則〈a〉為P的無(wú)不動(dòng)點(diǎn)自同構(gòu)群,從而G為Frobenius群,且Φ(P)=CP(a)=1,此時(shí)P初等交換群且G=.故易得其真冪圖P?(G)的連通分支數(shù):

①設(shè)于千斤柱兩側(cè)的變幅定滑輪組;

②設(shè)于千斤柱上的2只變幅平衡滑輪;

③設(shè)于起重臂架頭部的動(dòng)滑輪組。

變幅系統(tǒng)鋼絲繩共 40道,共 1根,繩長(zhǎng)5 600m。

變幅系統(tǒng)由 2臺(tái)電動(dòng)絞車同時(shí)驅(qū)動(dòng),絞車額定拉力800kN,變幅絞車速度17m/min,容繩量700m。

圖2 臂架圖

5 動(dòng)力配置及變頻系統(tǒng)控制

本船電動(dòng)絞車動(dòng)力全部由機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)組提供。起重作業(yè)時(shí),3臺(tái)720kW主發(fā)電機(jī)組中的2臺(tái)工作,1臺(tái)備用。準(zhǔn)備作業(yè)時(shí)由 250kW輔發(fā)電機(jī)組工作提供動(dòng)力。

本船所有絞車均采用電動(dòng)絞車,其中 4臺(tái)主吊雙滾筒絞車、2臺(tái)副吊絞車、2臺(tái)變幅絞車、5臺(tái)定位絞車、4臺(tái)系泊絞車均采用船用變頻起重電機(jī)。變頻系統(tǒng)由設(shè)在機(jī)艙的變頻柜、制動(dòng)電阻箱和駕控臺(tái)的控制裝置等組成,其工作應(yīng)滿足所有變頻起重電機(jī)絞車的不同工作要求。

在 4主鉤聯(lián)動(dòng)工況下,為滿足 4主鉤均勻加載,特采用力矩環(huán)控制方案。具體方案說(shuō)明如下:

在 4鉤聯(lián)動(dòng)時(shí),實(shí)時(shí)采集各主鉤的轉(zhuǎn)矩,以 1號(hào)主鉤的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩作基準(zhǔn),其余 3個(gè)鉤子的轉(zhuǎn)矩與 1號(hào)鉤的轉(zhuǎn)矩作實(shí)時(shí)比較,如果轉(zhuǎn)矩偏差值在允許范圍內(nèi),則速度給定與 1號(hào)鉤相同。如果超出允許范圍,則根據(jù)偏差大小實(shí)時(shí)調(diào)整對(duì)應(yīng)鉤子的速度,以保證所有鉤子的載荷偏差在允許范圍內(nèi)。所有主鉤的速度均經(jīng)斜坡函數(shù)發(fā)生器處理后,最終輸出到主鉤各機(jī)構(gòu)變頻器,實(shí)現(xiàn)吊重受力點(diǎn)均勻,速度斜坡平穩(wěn)加載,滿足吊重平穩(wěn)升降的要求。

6 臂架有限元模型及計(jì)算

計(jì)算采用美國(guó)MSC公司開發(fā)的MSC/NASTRAN有限元軟件,該軟件是世界上應(yīng)用最為廣泛的大型通用結(jié)構(gòu)分析軟件之一。通過(guò)MSC/NASTRAN的分析可確保各個(gè)零部件及整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在最合理的環(huán)境下正常工作,獲得最佳性能。

三維有限元分析的特點(diǎn)是把結(jié)構(gòu)完整地用有限元模型表達(dá)出來(lái),能夠反映結(jié)構(gòu)真實(shí)的受力和變形情況。臂架強(qiáng)度計(jì)算包括幅角為 58°、45°、30°和12°四個(gè)有限元模型。模型采用一般尺寸的網(wǎng)格劃分,臂架頭部和腳部結(jié)構(gòu)的各種封板、隔板和框架采用平面四邊形板單元(局部過(guò)渡區(qū)域采用三角形板單元)描述,單元大小約為臂架頭部?jī)?nèi)支撐框架 T型材的腹板高度的 1/2。臂架桿身采用一維梁?jiǎn)卧枋?梁?jiǎn)卧c板單元之間通過(guò)MPC單元連接。

臂架有限元模型如圖 3所示。

圖3 臂架有限元模型圖

6.1 臂架頭部

臂架頭部的各種封板、隔板、肘板、加筋板的腹板和面板等均采用平面四邊形板單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,局部連接區(qū)域采用三角形板單元以保證結(jié)構(gòu)單元之間的協(xié)調(diào)性。板單元的尺寸大致為加強(qiáng)筋的腹板高度的1/2。

6.2 臂架腳部

臂架腳部區(qū)域結(jié)構(gòu)采用平面四邊形板單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,局部連接區(qū)域采用三角形板單元以保證結(jié)構(gòu)單元之間的協(xié)調(diào)性。與臂架基座連接的軸孔套管采用平面四邊形板單元描述,在左右軸孔中心位置建立獨(dú)立節(jié)點(diǎn),與套管單元節(jié)點(diǎn)之間用MPC單元綁定。

6.3 臂架桿身

臂架桿身主桿和副桿桁架采用一維梁?jiǎn)卧枋?管節(jié)點(diǎn)之間的桿件梁?jiǎn)卧挥谥鳁U和副桿的軸線位置,并根據(jù)實(shí)際的圓管的截面尺寸設(shè)置梁?jiǎn)卧膶傩浴１奂軛U身與頭部和腳部連接區(qū)域的結(jié)構(gòu)采用平面四邊形和三角形單元描述,梁?jiǎn)卧c四邊形單元在管節(jié)點(diǎn)處采用MPC單元連接。

6.4 變幅滑輪架

變幅滑輪架采用平面四邊形板單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,局部連接區(qū)域采用三角形板單元連接以保證結(jié)構(gòu)單元之間的協(xié)調(diào)性。2個(gè)立板之間的軸孔套筒采用平面四邊形板單元連接,中心處設(shè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn),并與套筒單元的節(jié)點(diǎn)采用MPC單元連接。

6.5 主吊支架

主吊支架采用平面四邊形板單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,局部連接區(qū)域采用三角形板單元連接以保證結(jié)構(gòu)單元之間的協(xié)調(diào)性。2個(gè)主吊耳板之間的軸孔套筒采用平面四邊形板單元連接,中心處設(shè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn),并與套筒單元的節(jié)點(diǎn)采用MPC單元連接。

有限元模型的平面三角形和四邊形單元的板厚和梁?jiǎn)卧慕孛鎺缀螌傩愿鶕?jù)基本資料施加于相應(yīng)的單元上。

1 600t起重船臂架結(jié)構(gòu)采用的有限元模型共有21 124個(gè)節(jié)點(diǎn),368個(gè)梁?jiǎn)卧?21 297個(gè)平面四邊形單元,762個(gè)平面三角形單元。

6.6 計(jì)算工況、載荷

根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》確定了 4個(gè)計(jì)算工況,分別為:無(wú)風(fēng)工作工況、有風(fēng)工作工況、放置工況和特殊載荷工況。計(jì)算中,臂架幅角為58°時(shí)分別計(jì)算無(wú)風(fēng)工作工況、有風(fēng)工作工況和放置工況;臂架幅角為12°時(shí)計(jì)算特殊載荷工況;臂架幅角分別為 45°和 30°時(shí)計(jì)算無(wú)風(fēng)工作工況。

7 結(jié)語(yǔ)

該船為國(guó)內(nèi)某船廠針對(duì)其新建船塢及以后的大分段造船減少船塢的使用周期的特點(diǎn)所量身定做的大型起重船,能夠通航于 44m高度以下的各類大橋。該船現(xiàn)已建造完畢并交付業(yè)主使用,在船廠的生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮了巨大的作用。