30t液壓伸縮臂式平臺(tái)起重機(jī)總體設(shè)計(jì)及應(yīng)用

邱成國　于衛(wèi)紅　孫　福

(太原重工股份有限公司技術(shù)中心,天津　300457)

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30t液壓伸縮臂式平臺(tái)起重機(jī)總體設(shè)計(jì)及應(yīng)用

邱成國于衛(wèi)紅孫福

(太原重工股份有限公司技術(shù)中心,天津300457)

摘要液壓伸縮臂式起重機(jī)，以其占用空間小、重量輕、操作靈活等特點(diǎn)，逐漸被船舶與海工領(lǐng)域廣泛使用。文章通過工程實(shí)例探討液壓伸縮臂式平臺(tái)起重機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)方法、工作原理等關(guān)鍵技術(shù)問題，為平臺(tái)起重機(jī)的設(shè)計(jì)、分析及總裝試驗(yàn)提供參考。

關(guān)鍵詞海洋平臺(tái)起重機(jī)；總體設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)分析；實(shí)機(jī)試驗(yàn)

海洋平臺(tái)起重機(jī)(Offshore Pedestal Mounted Cranes)是一種海洋平臺(tái)裝卸貨物和吊運(yùn)人員到平臺(tái)上面的起重機(jī)械，是海洋石油生產(chǎn)中最重要的生產(chǎn)和安全設(shè)備之一，其安全可靠性、可維修性、可抗風(fēng)性及耐腐蝕性的要求很高，具有起重能力大，操縱方便，耐沖擊，制動(dòng)性能好，安全可靠，對(duì)貨物的適應(yīng)性好等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于船舶及海工領(lǐng)域。與陸用起重機(jī)相比，海洋平臺(tái)起重機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不同，承受的環(huán)境荷載和工作荷載更惡劣，安全性及可靠性要求更高，設(shè)計(jì)難度更大。在2005年以前世界上的海洋平臺(tái)起重機(jī)市場(chǎng)基本上是由歐美等少數(shù)制造業(yè)發(fā)達(dá)國家所壟斷。在亞洲，日韓企業(yè)也很少涉足，在中國，則依賴從國外進(jìn)口，其價(jià)格非常昂貴。因此，積極開展海洋平臺(tái)起重機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究對(duì)提高我國技術(shù)能力、實(shí)現(xiàn)平臺(tái)裝備的國產(chǎn)化具有重要意義。

液壓伸縮臂式起重機(jī)作為海洋平臺(tái)起重機(jī)之一，具有占用空間小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各類海洋平臺(tái)、FPSO、鋪管船、起重船以及其它工程船舶。本文以30t液壓伸縮臂式平臺(tái)起重機(jī)為例，對(duì)液壓伸縮臂式平臺(tái)起重機(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)范、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)、總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算及實(shí)機(jī)試驗(yàn)等關(guān)鍵問題進(jìn)行探討。

1設(shè)計(jì)規(guī)范及主要技術(shù)參數(shù)

30t液壓伸縮臂式平臺(tái)起重機(jī)為全回轉(zhuǎn)伸縮臂式起重設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)起升與回轉(zhuǎn)或變幅與回轉(zhuǎn)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)，起升、回轉(zhuǎn)、變幅及控制部分均為液壓驅(qū)動(dòng)，可承擔(dān)平臺(tái)設(shè)備在甲板上的就位、平臺(tái)大型設(shè)備維修的協(xié)助、物品的起吊等任務(wù)。海上復(fù)雜的環(huán)境荷載及防爆等特殊要求，使得海洋平臺(tái)起重機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不同，關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和驅(qū)動(dòng)方式與陸上起重機(jī)相比也具有一定的特殊性。

1.1設(shè)計(jì)規(guī)范

30t液壓伸縮臂式船用起重機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢驗(yàn)和驗(yàn)收參照以下標(biāo)準(zhǔn)：

API 2C 《Specification for Offshore Pedestal Mounted Cranes》

CCS 《Rules for lifting appliances of ships and offshore installations 》

1.2主要技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)是起重機(jī)工作的性能指標(biāo)，也是設(shè)計(jì)的依據(jù)，主要包括起重量、工作幅度、起升高度、工作速度及回轉(zhuǎn)速度等，30t液壓伸縮臂式平臺(tái)起重機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

最大額定起重量：30t

安全負(fù)載 ：30t@4m；15t@7m；10t@10m，1.0t@36m；

最大工作半徑 ：36m；

最小工作半徑 ：4m；

起升高度 ：安裝座以上40m，安裝座以下20m；

起升速度 ：0～10m/min；

變幅時(shí)間(平均) ：100s；

變幅角度 ：0～74.5°；

回轉(zhuǎn)范圍 ：360°全回轉(zhuǎn)；

回轉(zhuǎn)速度 ：0.9rpm；

動(dòng)力方式 ：柴油液壓；

最大傾覆力矩 ：400TM；

動(dòng)載系數(shù) ：1.15；

最大橫傾角/縱傾角 ：5°/2°；

吊機(jī)總重 ：約33t ；

環(huán)境條件：濕度：95%；工作環(huán)境溫度 ：0℃～+50℃；

設(shè)計(jì)風(fēng)速：工作狀態(tài)：13.8m/s； 停泊狀態(tài)：30m/s；

起重機(jī)工作級(jí)別：機(jī)構(gòu)級(jí)別：M3-L2-T3，整機(jī)級(jí)別：A3-Q2-U3

電源：柴油液壓泵站的柴油機(jī)帶發(fā)電機(jī)為吊機(jī)提供DC24V控制電源

作業(yè)條件：船舶橫傾小于5°，縱傾小于2°，風(fēng)力小于蒲氏六級(jí)。

2總體設(shè)計(jì)及工作原理

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吊機(jī)結(jié)構(gòu)部分主要由筒體、回轉(zhuǎn)體、吊臂等三部分組成，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造嚴(yán)格按照規(guī)范中相關(guān)要求，并考慮運(yùn)輸和安裝方便。

筒體為圓筒形焊接結(jié)構(gòu)，用來承擔(dān)起重機(jī)的全部正壓力和傾覆力矩，上部法蘭面與回轉(zhuǎn)支承連接，下部與船體結(jié)構(gòu)連接，筒體與回轉(zhuǎn)體間裝有電液滑環(huán)，并設(shè)有一個(gè)供安裝和維護(hù)用的孔。

回轉(zhuǎn)體是由鋼板焊接而成的箱形結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)度高、制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。回轉(zhuǎn)體下部法蘭面用來連接回轉(zhuǎn)支承，上部支承用來與吊臂連接。前面支承用來與變幅油缸連接。

吊臂采用伸縮臂結(jié)構(gòu)，由1節(jié)基本臂和2節(jié)伸縮臂構(gòu)成，每節(jié)伸縮長度為11m，可通過操作臺(tái)上的手動(dòng)上下油缸切換閥來控制伸縮臂的伸縮，達(dá)到需要的臂長及幅度，全部伸出頂部距臂架鉸點(diǎn)為36.6m；滿足最大幅度36m的設(shè)計(jì)要求；每節(jié)臂架端部有鋼絲繩防磨襯板；頭部為滑車組，根部與回轉(zhuǎn)體上的銷軸聯(lián)接。吊臂上還裝有角度傳感器、重量傳感器、長度傳感器等安全裝置。

2.2機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

吊機(jī)機(jī)構(gòu)部分主要由起升絞車、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、臂架伸縮機(jī)構(gòu)等四部分組成。

起升絞車安裝在回轉(zhuǎn)體后方，其傳動(dòng)裝置由液壓馬達(dá)、剎車、行星減速器、卷筒、機(jī)架等組成。制動(dòng)器在起升絞車不工作時(shí)，摩擦片受彈簧力作用處于制動(dòng)狀態(tài)；工作時(shí)借助壓力油使彈簧壓縮，摩擦片放松，解除制動(dòng)狀態(tài)。卷筒一端安裝卷揚(yáng)減速機(jī)，一端安裝軸承座裝置，液壓馬達(dá)在壓力油作用下帶動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而通過鋼絲繩實(shí)現(xiàn)吊鉤的上升或下降。采用起升絞車內(nèi)置減速器方案，由于構(gòu)上減少了摩擦損失，提高了密封性能，因此具有穩(wěn)定性好，傳動(dòng)效率高，噪音低的特點(diǎn)。

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在回轉(zhuǎn)體上，其傳動(dòng)裝置由液壓馬達(dá)、剎車、行星減速器、小齒輪、回轉(zhuǎn)支承等組成?；剞D(zhuǎn)支承能同時(shí)承受軸向力和傾覆力矩等復(fù)雜載荷，小齒輪與回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)齒圈相配合，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承作任意方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其工作平穩(wěn)，制動(dòng)可靠。本起重機(jī)選用三排滾柱內(nèi)齒式回轉(zhuǎn)支承，其內(nèi)、外圈之間還設(shè)有防塵圈，可防止灰塵等細(xì)小顆粒侵入滾珠軌道?；剞D(zhuǎn)支承的內(nèi)圈固定在筒體上，外圈則固定在回轉(zhuǎn)體上，其與回轉(zhuǎn)體及筒體連接的螺栓均采用經(jīng)過熱浸鋅處理的高強(qiáng)度螺栓，性能等級(jí)為10.9級(jí)。

變幅機(jī)構(gòu)采用油缸變幅。變幅油缸是雙作用單活塞缸，活塞桿外圓表面經(jīng)鍍鉻處理并拋光而成，硬度和光潔度都很高，且能防止銹蝕，油缸兩端連接處均帶關(guān)節(jié)軸承，通過液壓力推動(dòng)活塞桿作兩個(gè)方向的往返運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)吊臂的起落。隨著活塞桿的往返運(yùn)動(dòng)，可使吊臂在0°～74.5°之間運(yùn)動(dòng)。

臂架伸縮機(jī)構(gòu)為非工作機(jī)構(gòu)，即不允許帶載伸縮。它由2只伸縮油缸、安全閥組及順序閥組等組成；油缸通過鉸接與內(nèi)外臂相連，通過不同油缸的伸縮以實(shí)現(xiàn)伸縮臂臂架的伸縮，臂架水平狀態(tài)時(shí)2只油缸全部伸展后，滿足最大幅度36m的設(shè)計(jì)要求。

2.3結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的難點(diǎn)是工況選取和組合、荷載計(jì)算和施加。海洋平臺(tái)起重機(jī)結(jié)構(gòu)分析應(yīng)根據(jù)額定載荷曲線，選取不同起重量-幅度的工況進(jìn)行分析，分析時(shí)應(yīng)充分考慮風(fēng)浪等環(huán)境荷載、整機(jī)自重荷載、船舶傾斜帶來的慣性荷載、機(jī)構(gòu)啟動(dòng)及制動(dòng)引起的動(dòng)力荷載等。

對(duì)于本吊機(jī)，選取30t-4m、15t-7m、10t-10m、1t-36m等工況進(jìn)行分析，通過計(jì)算，起重機(jī)最不利工況為10t-10m，吊臂全部伸出時(shí)的狀態(tài)，圖1～圖3分別為最不利工況下筒體、回轉(zhuǎn)體、吊臂的有限元分析結(jié)果。筒體主要承受壓力和傾覆力矩，為壓彎構(gòu)件，從圖1中可以看出，筒體一側(cè)為正壓應(yīng)力和彎曲壓應(yīng)力的組合區(qū)域，為高應(yīng)力區(qū)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮人孔/工藝孔等大開孔結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)?；剞D(zhuǎn)體也主要承受壓力和傾覆力矩，從圖2中可以看出，回轉(zhuǎn)體法蘭、吊臂安裝一側(cè)區(qū)域、與吊臂及變幅油缸連接耳板為高應(yīng)力區(qū)域，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)。伸縮臂受風(fēng)荷載、吊物重力、偏擺力、慣性力及變幅油缸作用力的耦合作用，其應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜，如圖3所示，臂架最大應(yīng)力出現(xiàn)在變幅油缸作用位置，除此之外，臂架鉸軸處及臂架頭起升滑輪安裝處也為高應(yīng)力區(qū)，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)給予重視。

圖1　筒體有限元分析結(jié)果

圖2　回轉(zhuǎn)體有限元分析結(jié)果

2.4機(jī)構(gòu)選型

圖3　伸縮臂有限元分析結(jié)果

起升機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)重物起升或下降的機(jī)構(gòu)，需克服吊具及重物重量、環(huán)境荷載引起的偏擺力及重物的動(dòng)力效應(yīng)等工作荷載；變幅機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)吊臂俯仰的機(jī)構(gòu)，需克服吊臂及重物重量、作用在吊臂上的環(huán)境荷載及慣性荷載等工作荷載；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)整個(gè)上部結(jié)構(gòu)在回轉(zhuǎn)支撐裝置上做360°全回轉(zhuǎn)，其工作荷載是由回轉(zhuǎn)支撐裝置摩擦阻力矩、平臺(tái)傾斜引起的回轉(zhuǎn)阻力矩、風(fēng)壓引起的阻力矩、回轉(zhuǎn)慣性引起的回轉(zhuǎn)阻力矩組成的回轉(zhuǎn)阻力矩。考慮平臺(tái)防爆要求，各機(jī)構(gòu)均采用液壓驅(qū)動(dòng)。根據(jù)吊機(jī)額定工況，計(jì)算各機(jī)構(gòu)設(shè)備參數(shù)如下：

(1) 起升機(jī)構(gòu)

卷筒直徑：510mm；

起升鋼絲繩直徑：22mm；

液壓馬達(dá)參數(shù)：壓力：250bar、流量：204L/min、轉(zhuǎn)速：2870rpm，1臺(tái)；

減速機(jī)速比：119.8，1臺(tái)

(2) 變幅機(jī)構(gòu)

活塞缸直徑：280mm；

活塞桿直徑：250mm；

額定工作壓力：220bar

數(shù)量：1只

(3) 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：

回轉(zhuǎn)大齒圈型號(hào)：133.25.1800三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承；

液壓馬達(dá)參數(shù)：壓力：250bar、流量：60L/min、轉(zhuǎn)速：1200rpm，2臺(tái)；

減速機(jī)機(jī)速比：148，2臺(tái)

(4)伸縮機(jī)構(gòu)：

活塞缸直徑：180mm；

活塞桿直徑：160mm；

額定工作壓力：220bar

數(shù)量：2只

3實(shí)機(jī)試驗(yàn)

吊機(jī)的實(shí)機(jī)試驗(yàn)主要包含以下步驟：試驗(yàn)前的準(zhǔn)備；空載試驗(yàn)；額定載荷試驗(yàn)；超載動(dòng)載試驗(yàn)；超載靜載試驗(yàn)；連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，在前一步工作符合要求后，方可進(jìn)行下一步。

空載試驗(yàn)時(shí)起升機(jī)構(gòu)以額定速度空載升降3次；變幅機(jī)構(gòu)以額定速度從0°～74.5°或從74.5°～0°增幅/減幅3次；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以伸縮臂在0°和74.5°兩個(gè)極限位置以額定速度左右回轉(zhuǎn)3次；伸縮機(jī)構(gòu)以伸縮臂在0°和74.5°兩個(gè)極限位置反復(fù)伸縮3次；上述各機(jī)構(gòu)試驗(yàn)正常后，分別進(jìn)行回轉(zhuǎn)-起升、回轉(zhuǎn)-變幅的聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，先低速進(jìn)行1次，再以額定速度進(jìn)行3次。

額定載荷試驗(yàn)前，先做2/3額定載荷下試運(yùn)轉(zhuǎn)，消除制造過程中可能產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及安裝間隙，再進(jìn)行如下額定載荷試驗(yàn)：吊起額定載荷，以額定速度升降3次；吊起額定載荷，起升至適當(dāng)高度，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以1/2額定速度左右回轉(zhuǎn)1次，然后以額定速度左右回轉(zhuǎn)3次；吊起額定載荷，起升至適當(dāng)高度，變幅機(jī)構(gòu)以1/2額定速度增幅/減幅1次，然后以額定速度增幅/減幅3次。上述各機(jī)構(gòu)試驗(yàn)正常后，分別進(jìn)行回轉(zhuǎn)-起升、回轉(zhuǎn)-變幅的聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，先低速進(jìn)行1次，再以額定速度進(jìn)行3次。

以1.1倍額定起重量做超載動(dòng)載試驗(yàn)，各機(jī)構(gòu)分別獨(dú)立緩慢進(jìn)行，對(duì)起升、回轉(zhuǎn)、變幅進(jìn)行制動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為1h。之后以1.25倍額定起重量，做超載靜載試驗(yàn)。最后進(jìn)行時(shí)長為8h的連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，保證各機(jī)構(gòu)連續(xù)作業(yè)的能力。

經(jīng)過實(shí)機(jī)試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)語

綜上所述，30t液壓伸縮臂式平臺(tái)起重機(jī)為360°全回轉(zhuǎn)起重機(jī)，主要由筒體、回轉(zhuǎn)體、液壓伸縮臂(三節(jié))、起升系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)等組成，適用于各類平臺(tái)、工程船舶.安裝于平臺(tái)、船舶甲板上，可實(shí)現(xiàn)起升與回轉(zhuǎn)或變幅與回轉(zhuǎn)聯(lián)合作業(yè)，最大起重量30t，最大工作半徑36m，可實(shí)現(xiàn)安裝座以上40m、安裝座以下20m范圍內(nèi)起升。本文僅以30t液壓伸縮臂式平臺(tái)起重機(jī)為例，對(duì)平臺(tái)起重機(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)范、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)、總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、機(jī)構(gòu)選型及實(shí)機(jī)試驗(yàn)步驟等關(guān)鍵問題進(jìn)行了闡述，為平臺(tái)起重機(jī)的設(shè)計(jì)、分析及總裝試驗(yàn)提供參考。

參考文獻(xiàn)

1API 2C, Specification for Offshore Pedestal Mounted Cranes[S]. API, 2012

(責(zé)任編輯：譚銀元)

2Rules for lifting appliances of ships and offshore installations[S]. CCS, 2012

Brief Introduction on the Designing of 30t Hydraulic

Offshore Telescope Crane

QIU Cheng-guo,YU Wei-hong,SUN Fu

( The Technology Center of TZ, Tianjin 300457,China)

Abstract:Crane with hydraulic telescopic arm is widely used in shipping and maritime engineering because it is compact, light in weight and flexible in operation. Based on case study, this essay discusses the designing standard, designing method, and working process of hydraulic offshore telescope crane, with a view to providing reference for the designing, problems analysis and assembly test.

Key words:offshore crane; general designing; structure analysis; test

作者簡(jiǎn)介：邱成國,主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造方面的研究工作。

收稿日期：2014-10-18

中圖分類號(hào)U674.38

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1671-8100(2015)02-0022-04