超萬噸起重量門式起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司 上海 200090

0 引言

21世紀(jì)以來，世界各國紛紛加大了對海洋開發(fā)的力度，海洋工程的建設(shè)方興未艾。隨著人類對資源探索的重心逐步由陸地到海洋，再由淺海到深海，對海洋工程裝備需求逐步增加，同時(shí)也提出了深水化，大型化，多功能化等更高要求。由于全世界對能源的需求日益增加，海洋已成為各國新世紀(jì)能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)；新技術(shù)在海洋工程上的應(yīng)用，使得海洋能源的開采成本大大降低，海洋工程裝備的市場越來越大。

中國具備顯著的成本優(yōu)勢、擁有優(yōu)良的海工建造基地，海工裝備與船舶在設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)具有較強(qiáng)的相似性，中國作為世界船舶制造中心將為海工裝備制造提供良好的平臺(tái)，隨著國家加大對海工行業(yè)的政策支持，以及制造業(yè)的全球性轉(zhuǎn)移，海工裝備制造也將逐漸轉(zhuǎn)向中國，我國海洋工程有望繼續(xù)船舶制造振興之路，未來幾年將進(jìn)入快速增長期。

隨著市場需求的不斷增加，在保證建造質(zhì)量的前提下縮短建造周期成為眾多海洋工程總裝建造基地需要面對的問題，而影響建造周期最主要的環(huán)節(jié)則是平臺(tái)分段的劃分以及總裝合攏技術(shù)方案的實(shí)施。

目前，國內(nèi)外絕大部分海工平臺(tái)制造商使用常規(guī)分段建造的方法建造海工平臺(tái)，像半潛式平臺(tái)建造，只能先建造下部浮體，再如同搭積木方式把幾十到上百個(gè)模塊安裝到幾十米高的下浮體上，組成上層模塊，這期間需要使用從幾百噸的移動(dòng)起重機(jī)到幾千噸的浮式起重機(jī)，一些巨大的模塊必須采用多次的海上吊裝，既增加建造風(fēng)險(xiǎn)，也影響設(shè)備建造周期。當(dāng)小分段吊裝到位，同時(shí)需進(jìn)行分段合攏作業(yè)，施工高度在幾十米高空，人員、材料和設(shè)備均上下不便，生產(chǎn)率低，作業(yè)質(zhì)量相對難以保證。因此對半潛式平臺(tái)提出上、下兩總段式并聯(lián)建造方式，即上部模塊和下部浮體分別建造，從而降低建造過程中的施工高度，同時(shí)上部模塊中各種設(shè)備的安裝，管路電氣的連接，附件的安裝均可在吊裝前完成，最后采用一次吊裝完成，此方式大大減少海上吊裝的次數(shù)，降低危險(xiǎn)性。

當(dāng)然此方式面臨最大的問題是單體起重量增大，半潛式平臺(tái)上部模塊整體質(zhì)量在2萬t左右，而常規(guī)1 000 t～2 000 t起重量已無法滿足，因此需要起重量超萬噸的特大型起重設(shè)備。

目前國內(nèi)起重量超萬噸起重機(jī)有兩臺(tái)，文中稱之A機(jī)和B機(jī)，其中A機(jī)為起重量1萬t固定門式起重機(jī)，B機(jī)為起重量1.1萬t門式起重機(jī)。

根據(jù)某廠的工藝需求，現(xiàn)研制的門式起重機(jī)最大起重量將達(dá)1.5萬t，跨度165 m，最大起升高度100 m，作業(yè)場地內(nèi)共布置兩臺(tái)同規(guī)格起重機(jī)，可以相互聯(lián)動(dòng)，聯(lián)合作業(yè)時(shí)最大起重量3萬t。為滿足海工平臺(tái)的安裝工藝，起重機(jī)需要滿載移動(dòng)，這對起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)是巨大的考驗(yàn)。

1 同等規(guī)格門式起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀介紹及分析

1.1 A機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)概況

A機(jī)采用鋼結(jié)構(gòu)主梁布置于鋼筋混凝土立柱上的構(gòu)成形式，其中一根主梁與立柱間固定，而另一根主梁可沿垂直主梁軸線方向上水平移動(dòng)，移動(dòng)距離14 m。

主梁移動(dòng)通過液壓缸推動(dòng)，見圖1a和圖1b。具體方式：在主梁與立柱間設(shè)置的鉸支座上部和主梁固定，而下部底面固定一塊聚四氟乙烯板與固定在立柱頂面上的滑移板接觸，同時(shí)鉸支座沿主梁方向的前后兩側(cè)與固定在立柱上的側(cè)滑移板接觸，則鉸支座可以在由滑移板組成的槽形結(jié)構(gòu)內(nèi)移動(dòng)。在大梁端部下方沿垂直于主梁軸線方向兩側(cè)各固定有滑移液壓缸支座，滑移液壓缸支座中間設(shè)有兩套液壓缸，兩套液壓缸中間設(shè)有鎖緊裝置，兩套液壓缸中間與其平行設(shè)有鎖緊軌道。

移動(dòng)采用步進(jìn)式運(yùn)動(dòng)，即先松開鎖緊裝置，然后向移動(dòng)方向側(cè)收縮液壓缸，到液壓缸行程終點(diǎn)后，鎖緊裝置啟動(dòng)夾緊軌道，液壓缸開始推進(jìn)，從而帶動(dòng)主梁移動(dòng)。通過多次動(dòng)作循環(huán)，則可達(dá)到預(yù)設(shè)移動(dòng)距離。

1.2 B機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)概況

B機(jī)主要結(jié)構(gòu)主梁、剛性支腿和柔性支腿均采用桁架形式。

運(yùn)行機(jī)構(gòu)主要由支承裝置（見圖2）和驅(qū)動(dòng)裝置組成，剛性支腿側(cè)和柔性支腿側(cè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)完全相同。每一支腿橫梁下的運(yùn)行支承裝置由32個(gè)運(yùn)行支承單元組成，每一個(gè)運(yùn)行支承單元包含兩臺(tái)250 t滾輪小車、一個(gè)剛性聯(lián)接梁和一個(gè)柱塞液壓缸。每一支腿下的32個(gè)支承單元沿主梁軸線分成兩個(gè)支承區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域16個(gè)支承單元的柱塞液壓缸的油口通過雙管路防爆閥聯(lián)在一起，通過單向調(diào)速閥與系統(tǒng)相連。剛、柔支腿橫梁下的運(yùn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各由3套運(yùn)行驅(qū)動(dòng)單元組成，3套驅(qū)動(dòng)通過四個(gè)液壓缸和支腿的下橫梁相連，形成一個(gè)浮動(dòng)懸掛系統(tǒng)。每套運(yùn)行驅(qū)動(dòng)單元由一個(gè)車架、一個(gè)小齒輪、一臺(tái)行星減速器、兩個(gè)支承輪組成。驅(qū)動(dòng)采用齒輪齒條傳動(dòng)，齒條固定于軌道面上。

1.3 現(xiàn)有運(yùn)行機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀及特點(diǎn)分析

從兩臺(tái)機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)對比來看，A機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)應(yīng)稱之為平移機(jī)構(gòu)，其主要功能僅是滿足吊點(diǎn)對位，移動(dòng)行程較短，移動(dòng)載荷也僅是設(shè)備自重。對于重載低速運(yùn)行機(jī)構(gòu)，采用步進(jìn)式液壓推進(jìn)系統(tǒng)是一種有效的解決方案。

B機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)可滿足長行程、經(jīng)常性的作業(yè)要求，其特點(diǎn)為：1）采用液壓缸作為承載單元支承整個(gè)起重機(jī)的重量，其優(yōu)點(diǎn)是既充分平衡各個(gè)支承點(diǎn)的壓力，又可彌補(bǔ)鉸點(diǎn)式多級平衡梁結(jié)構(gòu)重心較高的缺點(diǎn)，保證起重機(jī)的穩(wěn)定。液壓缸雖可以平衡起重機(jī)的載荷，但對于與之聯(lián)接的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有很高的要求，上部傳遞的載荷力需均勻分布到具有一定剛性的底座上才能確保液壓缸平衡作用。2）運(yùn)行機(jī)構(gòu) 通過滾輪小車和齒輪齒條驅(qū)動(dòng)來移動(dòng)整個(gè)起重機(jī)，滾輪車以近似均布載荷的形式滿足地面承載要求。不過該機(jī)構(gòu)也存在一些不足，主要體現(xiàn)在運(yùn)行的同步性和導(dǎo)向性控制上，尤其是導(dǎo)向性，由于滾輪車有一定的寬度，多組串在一起移動(dòng)時(shí)，與地面的滾動(dòng)摩擦力不能同步克服，就會(huì)產(chǎn)生不同方向的分力，各組滾輪車將會(huì)產(chǎn)生朝不同方向偏斜的趨勢，因此混凝土結(jié)構(gòu)的基座強(qiáng)度必須要求滿足能夠約束偏斜并承受因此產(chǎn)生的擠壓和摩擦。另外，常規(guī)上滾輪小車更適合用于臨時(shí)性大件物體的搬運(yùn)，使用過程中不易保養(yǎng)和維修。

2 新型運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

新型運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是以1.5萬t門式起重機(jī)設(shè)計(jì)研究為背景，見圖3。該起重機(jī)在滿足海工產(chǎn)品建造工藝同時(shí)，還需具備滿載、長行程移動(dòng)的功能。

新型運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案包含以下3大模塊：1）支承系統(tǒng) 采用液壓缸支撐形式；2）運(yùn)行移動(dòng)系統(tǒng) 采用雙軌運(yùn)行方式；3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 采用步進(jìn)式液壓缸推進(jìn)方式，見圖4。

2.1 運(yùn)行機(jī)構(gòu)液壓缸支承系統(tǒng)

2.1.1 運(yùn)行機(jī)構(gòu)液壓缸支承系統(tǒng)方案

新型運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案繼續(xù)采用門式起重機(jī)四支點(diǎn)支承形式，即單側(cè)軌道布置兩個(gè)支點(diǎn)，每個(gè)支點(diǎn)下不是采用多級平衡梁系統(tǒng)來進(jìn)行載荷的平均分布，而是采用單級大平衡下布置多套液壓缸來完成同樣功能。液壓缸安裝在大平衡梁下側(cè)內(nèi)部，通過伸出的活塞桿頭部與運(yùn)行臺(tái)車連接，見圖5。

液壓缸安裝在大平衡梁內(nèi)部，首先可有效保證液壓缸安裝基座的剛度，減小頂升過程中的結(jié)構(gòu)變形，其次可降低運(yùn)行機(jī)構(gòu)的安裝高度，最后可將整套液壓系統(tǒng)布置在平衡梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部，避免液壓管路系統(tǒng)意外損壞。

在單側(cè)軌道采用兩支點(diǎn)方式，因此整機(jī)支反力和穩(wěn)定性計(jì)算模型可與常規(guī)門式起重機(jī)相同，而每個(gè)支點(diǎn)下液壓系統(tǒng)控制原理簡單明了，只要保證每臺(tái)液壓缸的頂升力一致。

2.1.2 液壓頂升系統(tǒng)的原理

通過單級平衡梁底部液壓缸頂升，完成起重機(jī)的支撐。在起重機(jī)運(yùn)行過程中，液壓回路將被切斷，只有液壓缸之間串通，頂升液壓缸無桿腔連通的液壓缸活塞桿均可進(jìn)行升降動(dòng)作。液壓油會(huì)從油壓高的液壓缸流向油壓低的液壓缸，以此來達(dá)到整個(gè)分區(qū)的壓力保持一致，從而保持相同的支撐力和快速補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、軌道的變形。液壓缸活塞上安裝雙作用單向閥，確保液壓缸上升、下降至行程極限位置時(shí)，自動(dòng)停止升降，從而保證了液壓缸安全，整套系統(tǒng)性能安全可靠。

液壓頂升系統(tǒng)工作原理主要包含以下4個(gè)方面：

1）液壓缸上升、下降 起重機(jī)支腿上升通過三位四通換向閥來實(shí)現(xiàn)，單向節(jié)流閥起到調(diào)速作用，改變節(jié)流閥開口大小，控制進(jìn)入液壓缸的流量，進(jìn)而控制起重機(jī)支腿上升速度。

2）中間保壓 將支腿頂升液壓缸提升到中間位置，然后換向閥回到中位，液壓缸保壓。此時(shí)，通過安裝于兩側(cè)支腿橫梁上的位移傳感器檢測，當(dāng)兩側(cè)支腿橫梁高度差超過設(shè)定值時(shí)，需要調(diào)整兩側(cè)液壓缸伸出量。

3）保壓運(yùn)行 當(dāng)起重機(jī)運(yùn)行時(shí)，液壓缸須處于中間保壓位置，支腿液壓缸串聯(lián)形成均載床。當(dāng)運(yùn)行軌面不平時(shí)，軌道面凸出使液壓缸縮進(jìn)，縮進(jìn)的液壓缸中油液將分流至組內(nèi)其余液壓缸，而壓力也將分?jǐn)偂４_保運(yùn)行過程中，減少軌面不平對支腿橫梁產(chǎn)生的沖擊。

4）安全保護(hù) 每個(gè)區(qū)域中間位置液壓缸設(shè)有位移傳感器，當(dāng)頂升液壓缸提升整機(jī)時(shí)，頂升高度由此位移傳感器反饋，4個(gè)區(qū)域的頂升高度差不得高于限定值，同時(shí)每臺(tái)頂升液壓缸油口均裝有防爆閥，防止系統(tǒng)管路爆裂引起的安全隱患。

2.2 雙軌運(yùn)行移動(dòng)系統(tǒng)

結(jié)合已有設(shè)備的使用經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用車輪加軌道的成熟模式，見圖6。根據(jù)總體計(jì)算情況，每個(gè)支承液壓缸最大支承載荷接近600 t，如在每個(gè)液壓缸下對應(yīng)布置一臺(tái)雙輪運(yùn)行臺(tái)車，則單輪輪壓為300 t，對車輪設(shè)計(jì)以及軌道梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都是不經(jīng)濟(jì)的。因此，提出采用雙軌設(shè)計(jì)方案，將每個(gè)支承液壓缸下對應(yīng)布置一臺(tái)四輪臺(tái)車（見圖7），將輪壓控制在不超過150 t，兩條軌道間距根據(jù)土建承載設(shè)置為1.5 m。

2.3 步進(jìn)式液壓缸推進(jìn)系統(tǒng)

當(dāng)支承液壓缸將起重機(jī)頂升至設(shè)定高度后，頂升液壓缸液壓系統(tǒng)封閉，此時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行推進(jìn)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)推動(dòng)液壓缸，實(shí)現(xiàn)整機(jī)移動(dòng)，見圖8。起重機(jī)運(yùn)行由液壓推進(jìn)液壓缸和夾軌器配合實(shí)現(xiàn)。起重機(jī)運(yùn)行采用步進(jìn)式，即先松開夾軌器，然后向移動(dòng)方向側(cè)收縮推進(jìn)液壓缸，到液壓缸行程終點(diǎn)后，夾軌器啟動(dòng)夾緊軌道，液壓缸開始推進(jìn)，從而帶動(dòng)起重機(jī)移動(dòng)。通過多次動(dòng)作循環(huán)，則可達(dá)到預(yù)設(shè)移動(dòng)距離。

推進(jìn)液壓系統(tǒng)主要包含以下4個(gè)方面：

1）起重機(jī)前進(jìn)后退動(dòng)作控制 起重機(jī)運(yùn)行通過三位四通比例換向閥來實(shí)現(xiàn)，比例換向閥同時(shí)起調(diào)速作用，改變通過比例電磁鐵的電流，可按比例改變換向閥的開口度和通過流量，控制進(jìn)入液壓缸的流量，進(jìn)而控制起重機(jī)運(yùn)行速度。

2）起重機(jī)兩側(cè)支腿運(yùn)行同步控制 推進(jìn)液壓缸配有位移傳感器，對兩側(cè)支腿的位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對結(jié)果進(jìn)行比較。對于運(yùn)行速度較快一側(cè)，減小通過比例電磁鐵的電流，可減小比例換向閥開口，控制進(jìn)入液壓缸的流量，進(jìn)而控制大車運(yùn)行速度，使兩側(cè)支腿的位移保持同步。每側(cè)支腿下方有兩臺(tái)推進(jìn)液壓缸，每臺(tái)運(yùn)行液壓缸均配有位移傳感器，其中一臺(tái)位移傳感器跟隨另一臺(tái)位移傳感器，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程的同步。推進(jìn)液壓缸為步進(jìn)式，通過步進(jìn)次數(shù)和位移傳感器讀數(shù)，可計(jì)算大車運(yùn)行距離。每次大車運(yùn)行時(shí)，通過2臺(tái)基準(zhǔn)位移傳感器數(shù)值，監(jiān)控大車運(yùn)行距離。

3）停車制動(dòng)功能 當(dāng)起重機(jī)需要停車時(shí)，所有比例換向閥緩慢切換到中位，使進(jìn)入液壓缸的油液不斷減小，液壓缸逐漸減速，最終使起重機(jī)制動(dòng)。

4）安全保護(hù)功能 起重機(jī)兩條支腿均設(shè)置停車限位開關(guān)，當(dāng)?shù)竭_(dá)軌道端點(diǎn)時(shí)可自動(dòng)停車。

4 結(jié)束語

通過總結(jié)以往起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，為超萬噸起重量的門式起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)提出一種切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案，并有效地優(yōu)化運(yùn)行機(jī)構(gòu)的受力狀態(tài)，對重型起重機(jī)裝備的設(shè)計(jì)和建造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。